Nanotehnologija zdaj - Sporočilo za javnost: Raziskovalci v Purdue odkrivajo, da so superprevodne slike pravzaprav 3D in fraktali, ki jih poganja nered

Ponovno objavil Platon

Spremljevalci: 0

Domov > Pritisnite > Raziskovalci na Purdue odkrivajo, da so superprevodne slike pravzaprav 3D in fraktali, ki jih poganja nered

Povzetek:
Zadovoljevanje svetovnih potreb po energiji dosega kritično točko. Napajanje tehnološke dobe je povzročilo težave po vsem svetu. Vedno bolj pomembno je ustvariti superprevodnike, ki lahko delujejo pri tlaku in temperaturi okolja. To bi v veliki meri pripomoglo k rešitvi energetske krize.

Raziskovalci na Purdueju odkrivajo, da so superprevodne slike pravzaprav 3D in fraktali, ki jih poganja nered

West Lafayette, IN | Objavljeno 12. maja 2023

Napredek pri superprevodnosti je odvisen od napredka kvantnih materialov. Ko so elektroni znotraj kvantnih materialov podvrženi faznemu prehodu, lahko elektroni tvorijo zapletene vzorce, kot so fraktali. Fraktal je neskončen vzorec. Pri povečavi fraktala je slika videti enaka. Pogosto videni fraktali so lahko drevo ali zmrzal na okenski šipi pozimi. Fraktali se lahko oblikujejo v dveh dimenzijah, kot je zmrzal na oknu, ali v tridimenzionalnem prostoru, kot so veje drevesa.

Dr. Erica Carlson, profesorica fizike in astronomije ob 150. obletnici na Univerzi Purdue, je vodila ekipo, ki je razvila teoretične tehnike za karakterizacijo fraktalnih oblik, ki jih tvorijo ti elektroni, da bi odkrili temeljno fiziko, ki poganja vzorce.

Carlson, teoretični fizik, je ocenil slike visoke ločljivosti lokacij elektronov v superprevodniku Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x (BSCO) in ugotovil, da so te slike res fraktalne, ter odkril, da segajo v celoten tridimenzionalni prostor. ki ga zaseda material, kot drevo zapolnjuje prostor.

Kar je nekoč veljalo za naključne disperzije znotraj fraktalnih slik, je namensko in, šokantno, ni posledica osnovnega kvantnega faznega prehoda, kot je bilo pričakovano, ampak zaradi faznega prehoda, ki ga poganja nered.

Carlson je vodil sodelujočo skupino raziskovalcev v več institucijah in objavil svoje ugotovitve z naslovom "Kritične nematske korelacije v celotnem območju superprevodnega dopinga v Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x," v Nature Communications.

Ekipa vključuje znanstvenike Purdue in partnerske ustanove. Iz Purdueja ekipa vključuje Carlsona, dr. Forresta Simmonsa, nedavnega doktorskega študenta, in nekdanja doktorska študenta dr. Shuo Liu in dr. Benjamin Phillabaum. Ekipa Purdue je zaključila svoje delo v okviru Purdue Quantum Science and Engineering Institute (PQSEI). Ekipa partnerskih ustanov vključuje dr. Jennifer Hoffman, dr. Can-Li Song, dr. Elizabeth Main z univerze Harvard, dr. Karin Dahmen z univerze Urbana-Champaign in dr. Erica Hudsona z univerze Pennsylvania State.

»Opazovanje fraktalnih vzorcev orientacijskih ('nematskih') domen – ki so jih Carlson in sodelavci spretno izluščili iz slik STM površin kristalov kupratnega visokotemperaturnega superprevodnika – je samo po sebi zanimivo in estetsko privlačno, pa tudi precej temeljno. pomembno pri spoznavanju bistvene fizike teh materialov,« pravi dr. Steven Kivelson, družinski profesor Prabhu Goel na univerzi Stanford in teoretični fizik, specializiran za nova elektronska stanja v kvantnih materialih. »Neka oblika nematičnega reda, za katero se običajno misli, da je avatar bolj primitivnega reda naboja-gostote-valovanja, naj bi igrala pomembno vlogo v teoriji kupratov, vendar so bili dokazi v prid tej trditvi že prej v najboljšem primeru dvoumen. Dve pomembni ugotovitvi izhajata iz analize Carlsona et al.: 1) Dejstvo, da so nematske domene videti fraktalne, pomeni, da je korelacijska dolžina – razdalja, na kateri nematski red ohranja koherenco – večja od vidnega polja eksperimenta, kar pomeni, da je v primerjavi z drugimi mikroskopskimi luskami zelo velika. 2) Dejstvo, da so vzorci, ki označujejo red, enaki tistim, pridobljenim s študijami Isingovega modela tridimenzionalnih naključnih polj – enega od paradigrammatičnih modelov klasične statistične mehanike – nakazuje, da obseg nematičnega reda določa ekstrinzična količine in da bi samo po sebi (tj. v odsotnosti kristalnih nepopolnosti) kazal korelacije še daljšega dosega, ne le vzdolž površine, ampak segajo globoko v večji del kristala.

Slike teh fraktalov v visoki ločljivosti so skrbno posnete v Hoffmanovem laboratoriju na Univerzi Harvard in Hudsonovem laboratoriju, zdaj v Penn Stateu, z uporabo vrstičnih tunelskih mikroskopov (STM) za merjenje elektronov na površini BSCO, kupratnega superprevodnika. Mikroskop skenira atom za atomom po zgornji površini BSCO in ugotovili so, da so trakovi usmerjeni v dve različni smeri namesto v isto smer. Rezultat, viden zgoraj v rdeči in modri barvi, je nazobčana slika, ki tvori zanimive vzorce usmerjenosti elektronskih trakov.

»Elektronski vzorci so zapleteni, z luknjami znotraj lukenj in robovi, ki spominjajo na okrašen filigran,« pojasnjuje Carlson. »S tehnikami iz fraktalne matematike te oblike karakteriziramo s fraktalnimi števili. Poleg tega uporabljamo statistične metode iz faznih prehodov, da opredelimo stvari, na primer, koliko grozdov je določene velikosti in kako verjetno je, da bodo spletna mesta v isti gruči.«

Ko je skupina Carlson analizirala te vzorce, je našla presenetljiv rezultat. Ti vzorci se ne oblikujejo le na površini kot fraktalno vedenje ravne plasti, ampak zapolnjujejo prostor v treh dimenzijah. Simulacije za to odkritje so bile izvedene na Univerzi Purdue z uporabo superračunalnikov Purdue v Centru za napredno računalništvo Rosen. Harvard in Penn State sta izmerila vzorce s petimi različnimi stopnjami dopinga in rezultat je bil pri vseh petih vzorcih podoben.

Edinstveno sodelovanje med Illinoisom (Dahmen) in Purdue (Carlson) je prineslo tehnike grozdov iz neurejene statistične mehanike na področje kvantnih materialov, kot so superprevodniki. Carlsonova skupina je prilagodila tehniko za uporabo v kvantnih materialih in razširila teorijo faznih prehodov drugega reda na elektronske fraktale v kvantnih materialih.

"To nas pripelje korak bližje k razumevanju delovanja kupratnih superprevodnikov," pojasnjuje Carlson. »Člani te družine superprevodnikov so trenutno superprevodniki z najvišjo temperaturo, ki se pojavijo pri tlaku okolice. Če bi dobili superprevodnike, ki delujejo pri tlaku in temperaturi okolja, bi lahko naredili veliko pripomoči k rešitvi energetske krize, saj so žice, ki jih trenutno uporabljamo za pogon elektronike, kovine in ne superprevodniki. Za razliko od kovin superprevodniki odlično prenašajo tok brez izgube energije. Po drugi strani pa vse žice, ki jih uporabljamo v zunanjih električnih vodih, uporabljajo kovine, ki izgubljajo energijo ves čas, ko prenašajo tok. Superprevodniki so zanimivi tudi zato, ker jih je mogoče uporabiti za ustvarjanje zelo močnih magnetnih polj in za magnetno levitacijo. Trenutno se uporabljajo (z ogromnimi hladilnimi napravami!) v MRI v bolnišnicah in levitirajočih vlakih.«

Naslednji koraki skupine Carlson so uporaba tehnik grozda Carlson-Dahmen na drugih kvantnih materialih.

»Z uporabo teh tehnik grozda smo prav tako identificirali elektronske fraktale v drugih kvantnih materialih, vključno z vanadijevim dioksidom (VO2) in neodimijevimi nikelati (NdNiO3). Sumimo, da je to vedenje lahko dejansko precej vseprisotno v kvantnih materialih,« pravi Carlson.

Tovrstno odkritje pripelje kvantne znanstvenike bližje rešitvi uganke superprevodnosti.

"Namen splošnega področja kvantnih materialov je postaviti kvantne lastnosti materialov v ospredje, na mesto, kjer jih lahko nadzorujemo in uporabimo za tehnologijo," pojasnjuje Carlson. "Vsakič, ko je odkrita ali ustvarjena nova vrsta kvantnega materiala, pridobimo nove zmožnosti, tako dramatične, kot bi slikarji odkrili novo barvo za slikanje."

Financiranje dela na Univerzi Purdue za to raziskavo vključuje Nacionalno znanstveno fundacijo, Bilslandovo štipendijo za disertacijo (za dr. Liuja) in Raziskovalno korporacijo za znanstveni napredek.

####

O Univerzi Purdue
Univerza Purdue je vrhunska javna raziskovalna ustanova, ki razvija praktične rešitve za današnje najtežje izzive. Purdue, ki jo US News & World Report v vsakem od zadnjih petih let uvršča med 10 najbolj inovativnih univerz v Združenih državah Amerike, zagotavlja raziskave, ki spreminjajo svet, in odkritja izven tega sveta. Predan praktičnemu in spletnemu učenju v resničnem svetu, Purdue vsem ponuja transformativno izobraževanje. Purdue, ki se zavzema za cenovno dostopnost in dostopnost, je zamrznil šolnino in večino šolnin na ravni 2012–13, kar omogoča več študentom kot kdaj koli prej, da diplomirajo brez dolgov. Oglejte si, kako se Purdue nikoli ne ustavi v vztrajnem iskanju naslednjega velikanskega skoka https://stories.purdue.edu .

O oddelku za fiziko in astronomijo na univerzi Purdue

Oddelek za fiziko in astronomijo Purdue ima bogato in dolgo zgodovino, ki sega v leto 1904. Naši profesorji in študenti raziskujejo naravo na vseh ravneh, od subatomske do makroskopske in vse vmes. Z odlično in raznoliko skupnostjo fakultet, podoktorjev in študentov, ki premikajo nove znanstvene meje, ponujamo dinamično učno okolje, vključujočo raziskovalno skupnost in privlačno mrežo učenjakov.

Fizika in astronomija je eden od sedmih oddelkov na Univerzi Purdue College of Science. Raziskave svetovnega razreda se izvajajo v astrofiziki, atomski in molekularni optiki, pospeševalni masni spektrometriji, biofiziki, fiziki kondenzirane snovi, kvantni informacijski znanosti, fiziki delcev in jedrski fiziki. Naši najsodobnejši objekti so v stavbi Physics Building, vendar naši raziskovalci sodelujejo tudi pri interdisciplinarnem delu v okrožju Discovery Park v Purdueju, zlasti v centru za nanotehnologijo Birck in centru za bioznanost Bindley. Sodelujemo tudi pri globalnih raziskavah, vključno z velikim hadronskim trkalnikom v CERN-u, nacionalnim laboratorijem Argonne, nacionalnim laboratorijem Brookhaven, Fermilabom, linearnim pospeševalnikom Stanford, vesoljskim teleskopom James Webb in številnimi observatoriji po vsem svetu.

O Inštitutu za kvantno znanost in inženiring Purdue (PQSEI)

PQSEI, ki se nahaja v okrožju Discovery Park, spodbuja razvoj praktičnih in vplivnih vidikov kvantne znanosti ter se osredotoča na odkrivanje in preučevanje novih materialov, naprav in osnovnih fizičnih kvantnih sistemov, ki bodo primerni za integracijo v jutrišnjo tehnologijo. Spodbuja interdisciplinarno sodelovanje, ki vodi k oblikovanju in realizaciji kvantnih naprav z izboljšano funkcionalnostjo in zmogljivostjo blizu temeljne meje, s ciljem, da jih na koncu pripelje do široke skupnosti uporabnikov. Fakulteta PQSEI dela na širokem naboru tem v kvantni znanosti in inženirstvu, vključno s kvantnimi materiali in napravami, kvantno fotoniko, atomsko molekularno in optično fiziko, kvantno kemijo, kvantnim merjenjem in nadzorom, kvantno simulacijo ter kvantnimi informacijami in računalništvom. Nazadnje, PQSEI si prizadeva za usposabljanje naslednje generacije kvantnih znanstvenikov in inženirjev, da bi izpolnili naraščajoče zahteve kvantne delovne sile.

Za več informacij kliknite tukaj

Kontakt:
Brittany Steff
Purdue University
Pisarna: 765-494-7833

Avtorske pravice © Univerza Purdue

Če imate komentar, prosim Kontakt nas.

Izdajalci novic, ne 7th Wave, Inc. ali Nanotechnology Now, so izključno odgovorni za točnost vsebine.

Zaznamek: