Nanotechnology Now - Pressmeddelande: Forskare på Purdue upptäcker att superledande bilder är faktiskt 3D och störningsdrivna fraktaler

Återutgiven av Platon

anhängare: 0

Hem > Presse > Forskare vid Purdue upptäcker att supraledande bilder faktiskt är 3D och störningsdrivna fraktaler

Sammanfattning:
Att möta världens energibehov närmar sig en kritisk punkt. Att driva den tekniska tidsåldern har orsakat problem globalt. Det blir allt viktigare att skapa supraledare som kan arbeta vid omgivningstryck och temperatur. Detta skulle räcka långt för att lösa energikrisen.

Forskare vid Purdue upptäcker att supraledande bilder faktiskt är 3D och störningsdrivna fraktaler

West Lafayette, IN | Postat den 12 maj 2023

Framsteg med supraledning beror på framsteg inom kvantmaterial. När elektroner inuti kvantmaterial genomgår en fasövergång, kan elektronerna bilda intrikata mönster, såsom fraktaler. En fraktal är ett aldrig sinande mönster. När du zoomar in på en fraktal ser bilden likadan ut. Vanliga fraktaler kan vara ett träd eller frost på en fönsterruta på vintern. Fraktaler kan bildas i två dimensioner, som frosten på ett fönster, eller i tredimensionellt utrymme som grenarna på ett träd.

Dr. Erica Carlson, en 150-årsjubileumsprofessor i fysik och astronomi vid Purdue University, ledde ett team som utvecklade teoretiska tekniker för att karakterisera fraktalformerna som dessa elektroner gör, för att avslöja den underliggande fysiken som driver mönstren.

Carlson, en teoretisk fysiker, har utvärderat högupplösta bilder av elektronernas placering i supraledaren Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x (BSCO), och fastställt att dessa bilder verkligen är fraktala och upptäckt att de sträcker sig in i hela tredimensionella rymden upptas av materialet, som ett trädfyllningsutrymme.

Det som en gång ansågs vara slumpmässiga dispersioner inom fraktalbilderna är målmedvetna och, chockerande nog, inte på grund av en underliggande kvantfasövergång som förväntat, utan på en störningsdriven fasövergång.

Carlson ledde ett samarbetsteam av forskare över flera institutioner och publicerade sina resultat, med titeln "Kritiska nematiska korrelationer i hela supraledande dopingintervall i Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x," i Nature Communications.

Teamet inkluderar Purdue-forskare och partnerinstitutioner. Från Purdue inkluderar teamet Carlson, Dr. Forrest Simmons, nyligen doktorand, och tidigare doktorander Dr. Shuo Liu och Dr. Benjamin Phillabaum. Purdue-teamet avslutade sitt arbete inom Purdue Quantum Science and Engineering Institute (PQSEI). Teamet från partnerinstitutioner inkluderar Dr Jennifer Hoffman, Dr Can-Li Song, Dr Elizabeth Main från Harvard University, Dr Karin Dahmen från University of Urbana-Champaign och Dr Eric Hudson från Pennsylvania State University.

"Observationen av fraktala mönster av orienterande ('nematiska') domäner – skickligt extraherade av Carlson och medarbetare från STM-bilder av ytorna på kristaller i en kuprat högtemperatursupraledare – är intressant och estetiskt tilltalande i sig, men också av betydande grundläggande betydelse för att komma till rätta med den väsentliga fysiken hos dessa material”, säger Dr. Steven Kivelson, Prabhu Goel-familjeprofessor vid Stanford University och en teoretisk fysiker som specialiserar sig på nya elektroniska tillstånd i kvantmaterial. "Någon form av nematisk ordning, som vanligtvis anses vara en avatar av en mer primitiv laddningsdensitetsvågordning, har antagits spela en viktig roll i teorin om cuprates, men bevisen för detta förslag har tidigare varit i bästa fall tvetydig. Två viktiga slutsatser följer av Carlson et al:s analys: 1) Det faktum att de nematiska domänerna verkar fraktala innebär att korrelationslängden – det avstånd över vilket den nematiska ordningen upprätthåller koherens – är större än experimentets synfält. vilket gör att den är väldigt stor jämfört med andra mikroskopiska skalor. 2) Det faktum att mönster som kännetecknar ordningen är desamma som de som erhållits från studier av den tredimensionella slumpfältsmodellen Ising – en av de paradigrmatiska modellerna inom klassisk statistisk mekanik – antyder att omfattningen av den nematiska ordningen bestäms av extrinsic kvantiteter och att den i sig (dvs. i frånvaro av kristallina ofullkomligheter) skulle uppvisa korrelationer med ännu längre räckvidd, inte bara längs ytan, utan sträcka sig djupt in i kristallens huvuddel.”

Högupplösta bilder av dessa fraktaler är noggrant tagna i Hoffmans labb vid Harvard University och Hudsons labb, nu i Penn State, med hjälp av scanning tunneling microscopes (STM) för att mäta elektroner på ytan av BSCO, en cuprate supraledare. Mikroskopet skannar atom för atom över den övre ytan av BSCO, och vad de hittade var ränder som gick i två olika riktningar istället för samma riktning. Resultatet, sett ovan i rött och blått, är en taggig bild som bildar intressanta mönster av elektroniska ränder.

"De elektroniska mönstren är komplexa, med hål inuti hålen och kanter som liknar utsmyckad filigran", förklarar Carlson. "Med hjälp av tekniker från fraktal matematik karakteriserar vi dessa former med fraktala tal. Dessutom använder vi statistikmetoder från fasövergångar för att karakterisera saker som hur många kluster som är av en viss storlek och hur sannolikt det är att platserna är i samma kluster.”

När Carlson-gruppen analyserade dessa mönster fann de ett överraskande resultat. Dessa mönster bildas inte bara på ytan som ett flatlager fraktalt beteende, utan de fyller utrymme i tre dimensioner. Simuleringar för denna upptäckt utfördes vid Purdue University med Purdues superdatorer vid Rosen Center for Advanced Computing. Prover på fem olika dopningsnivåer mättes av Harvard och Penn State, och resultatet var likartat bland alla fem proverna.

Det unika samarbetet mellan Illinois (Dahmen) och Purdue (Carlson) förde klustertekniker från oordnad statistisk mekanik in på området för kvantmaterial som supraledare. Carlsons grupp anpassade tekniken för att tillämpas på kvantmaterial, och utökade teorin om andra ordningens fasövergångar till elektroniska fraktaler i kvantmaterial.

"Detta tar oss ett steg närmare att förstå hur cuprate supraledare fungerar", förklarar Carlson. "Medlemmar i denna familj av supraledare är för närvarande de högsta temperatursupraledare som sker vid omgivningstryck. Om vi kunde få supraledare som arbetar vid omgivningstryck och temperatur, skulle vi kunna gå långt mot att lösa energikrisen eftersom de kablar vi för närvarande använder för att driva elektronik är metaller snarare än supraledare. Till skillnad från metaller bär supraledare ström perfekt utan energiförlust. Å andra sidan använder alla ledningar vi använder i kraftledningar utomhus metaller, som förlorar energi hela tiden de bär ström. Supraledare är också av intresse eftersom de kan användas för att generera mycket höga magnetfält och för magnetisk levitation. De används för närvarande (med massiva kylanordningar!) i MRI på sjukhus och svävande tåg.”

Nästa steg för Carlson-gruppen är att tillämpa Carlson-Dahmens klustertekniker på andra kvantmaterial.

"Med hjälp av dessa klustertekniker har vi också identifierat elektroniska fraktaler i andra kvantmaterial, inklusive vanadindioxid (VO2) och neodymnickelater (NdNiO3). Vi misstänker att detta beteende faktiskt kan vara ganska allmänt förekommande i kvantmaterial, säger Carlson.

Denna typ av upptäckt leder kvantforskare närmare att lösa gåtorna om supraledning.

"Det allmänna området för kvantmaterial syftar till att lyfta fram materialens kvantegenskaper, till en plats där vi kan kontrollera dem och använda dem för teknik," förklarar Carlson. "Varje gång en ny typ av kvantmaterial upptäcks eller skapas får vi nya möjligheter, lika dramatiska som målare som upptäcker en ny färg att måla med."

Finansiering för arbetet vid Purdue University för denna forskning inkluderar National Science Foundation, Bilsland Dissertation Fellowship (för Dr. Liu) och Research Corporation for Science Advancement.

####

Om Purdue University
Purdue University är en topp offentlig forskningsinstitution som utvecklar praktiska lösningar på dagens tuffaste utmaningar. Under vart och ett av de senaste fem åren har Purdue rankats som ett av de 10 mest innovativa universiteten i USA av US News & World Report. Engagerad i praktisk och online, verklig lärande, erbjuder Purdue en transformativ utbildning för alla. Purdue är engagerad i överkomliga priser och tillgänglighet och har fryst undervisningen och de flesta avgifterna på 2012-13 års nivåer, vilket gör det möjligt för fler studenter än någonsin att ta examen skuldfria. Se hur Purdue aldrig stannar i den ihärdiga jakten på nästa gigantiska språng https://stories.purdue.edu .

Om institutionen för fysik och astronomi vid Purdue University

Purdue Institutionen för fysik och astronomi har en rik och lång historia som går tillbaka till 1904. Vår fakultet och studenter utforskar naturen i alla längdskalor, från subatomär till makroskopisk och allt däremellan. Med en utmärkt och mångsidig gemenskap av fakulteter, postdoktorer och studenter som driver nya vetenskapliga gränser, erbjuder vi en dynamisk inlärningsmiljö, en inkluderande forskargemenskap och ett engagerande nätverk av forskare.

Fysik och astronomi är en av de sju institutionerna inom Purdue University College of Science. Forskning i världsklass bedrivs inom astrofysik, atom- och molekyloptik, acceleratormasspektrometri, biofysik, kondenserad materiens fysik, kvantinformationsvetenskap, partikel- och kärnfysik. Våra toppmoderna faciliteter finns i Physics Building, men våra forskare engagerar sig också i tvärvetenskapligt arbete vid Discovery Park District i Purdue, särskilt Birck Nanotechnology Center och Bindley Bioscience Center. Vi deltar också i global forskning, inklusive vid Large Hadron Collider vid CERN, Argonne National Laboratory, Brookhaven National Laboratory, Fermilab, Stanford Linear Accelerator, James Webb Space Telescope och flera observatorier runt om i världen.

Om Purdue Quantum Science and Engineering Institute (PQSEI)

Beläget i Discovery Park District, främjar PQSEI utvecklingen av praktiska och effektfulla aspekter av kvantvetenskap och fokuserar på att upptäcka och studera nya material, enheter och grundläggande fysiska kvantsystem som kommer att vara lämpade för integration i morgondagens teknologi. Det uppmuntrar tvärvetenskapligt samarbete som leder till design och realisering av kvantenheter med förbättrad funktionalitet och prestanda nära den grundläggande gränsen, i syfte att i slutändan föra dem till en stor gemenskap av användare. PQSEI-fakulteten arbetar med ett brett spektrum av ämnen inom kvantvetenskap och teknik inklusive kvantmaterial och -anordningar, kvantfotonik, atomär molekylär och optisk fysik, kvantkemi, kvantmätning och kontroll, kvantsimulering och kvantinformation och beräkningar. Slutligen arbetar PQSEI för att utbilda nästa generation kvantforskare och ingenjörer för att möta de växande kraven på kvantarbetskraft.

För mer information, klicka på här.

Kontaktpersoner:
Brittany Steff
Purdue University
Kontor: 765-494-7833

Om du har en kommentar, snälla Kontakta oss oss.

Emittenter av nyhetsmeddelanden, inte 7th Wave, Inc. eller Nanotechnology Now, är ensamma ansvariga för innehållets noggrannhet.

Bokmärke: