Nanotechnology Now - Press Release: Researchers At Purdue Discover Superconductive Images Are Actually 3D And Disorder-driven Fractals

เผยแพร่ซ้ำโดยเพลโต

ผู้ติดตาม: 0

หน้าแรก > ข่าวประชา > นักวิจัยที่ Purdue ค้นพบว่าภาพที่มีตัวนำยิ่งยวดนั้นแท้จริงแล้วเป็น 3 มิติและแฟร็กทัลที่ขับเคลื่อนด้วยความผิดปกติ

นามธรรม:
การตอบสนองความต้องการด้านพลังงานของโลกกำลังถึงจุดวิกฤต การขับเคลื่อนยุคเทคโนโลยีทำให้เกิดปัญหาไปทั่วโลก การสร้างตัวนำยิ่งยวดที่สามารถทำงานที่ความดันและอุณหภูมิแวดล้อมมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งจะช่วยแก้ปัญหาวิกฤตพลังงานได้ในระยะยาว

นักวิจัยที่ Purdue ค้นพบว่าภาพที่มีตัวนำยิ่งยวดนั้นแท้จริงแล้วเป็น 3 มิติและแฟร็กทัลที่ขับเคลื่อนด้วยความผิดปกติ

เวสต์ลาฟาแยต, IN | โพสต์เมื่อวันที่ 12 พฤษภาคม 2023

ความก้าวหน้าของตัวนำยิ่งยวดขึ้นอยู่กับความก้าวหน้าของวัสดุควอนตัม เมื่ออิเล็กตรอนภายในวัสดุควอนตัมผ่านการเปลี่ยนเฟส อิเล็กตรอนสามารถสร้างรูปแบบที่ซับซ้อนได้ เช่น แฟร็กทัล เศษส่วนเป็นรูปแบบที่ไม่มีวันสิ้นสุด เมื่อซูมเข้าที่แฟร็กทัล ภาพจะดูเหมือนกัน เศษส่วนที่เห็นได้ทั่วไปอาจเป็นต้นไม้หรือน้ำค้างแข็งบนบานหน้าต่างในฤดูหนาว แฟร็กทัลสามารถก่อตัวเป็นสองมิติ เช่น น้ำค้างแข็งบนหน้าต่าง หรือในพื้นที่สามมิติ เช่น กิ่งก้านของต้นไม้

ดร.เอริกา คาร์ลสัน ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์และดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัย Purdue ครบรอบ 150 ปี นำทีมพัฒนาเทคนิคทางทฤษฎีในการระบุลักษณะรูปร่างเศษส่วนที่อิเล็กตรอนเหล่านี้สร้างขึ้น เพื่อเปิดเผยฟิสิกส์พื้นฐานที่ขับเคลื่อนรูปแบบดังกล่าว

คาร์ลสัน นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีได้ประเมินภาพความละเอียดสูงของตำแหน่งของอิเล็กตรอนในตัวนำยิ่งยวด Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x (BSCO) และระบุว่าภาพเหล่านี้เป็นแฟร็กทัลจริง ๆ และค้นพบว่าพวกมันขยายออกไปสู่ปริภูมิสามมิติเต็มรูปแบบ ถูกครอบครองโดยวัสดุ เช่น ต้นไม้ถมที่ว่าง

สิ่งที่เคยคิดว่าเป็นการกระจายตัวแบบสุ่มภายในภาพแฟร็กทัลนั้นมีจุดประสงค์และที่น่าตกใจคือไม่ได้เกิดจากการเปลี่ยนแปลงเฟสควอนตัมตามที่คาดไว้ แต่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงเฟสที่ขับเคลื่อนด้วยความผิดปกติ

Carlson led a collaborative team of researchers across multiple institutions and published their findings, titled "Critical nematic correlations throughout the superconducting doping range in Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x," in Nature Communications.

ทีมงานประกอบด้วยนักวิทยาศาสตร์ของ Purdue และสถาบันพันธมิตร จาก Purdue ทีมงานประกอบด้วย Carlson, Dr. Forrest Simmons, นักศึกษาปริญญาเอกที่เพิ่งจบใหม่ และอดีตนักศึกษาปริญญาเอก Dr. Shuo Liu และ Dr. Benjamin Phillabaum ทีม Purdue เสร็จสิ้นการทำงานภายใน Purdue Quantum Science and Engineering Institute (PQSEI) ทีมงานจากสถาบันพันธมิตรประกอบด้วย Dr. Jennifer Hoffman, Dr. Can-Li Song, Dr. Elizabeth Main จาก Harvard University, Dr. Karin Dahmen จาก University of Urbana-Champaign และ Dr. Eric Hudson จาก Pennsylvania State University

“การสังเกตรูปแบบแฟร็กทัลของโดเมนการปฐมนิเทศ ('nematic') ซึ่งสกัดอย่างชาญฉลาดโดย Carlson และผู้ทำงานร่วมกันจากภาพ STM ของพื้นผิวของผลึกของตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิสูงแบบถ้วย - เป็นสิ่งที่น่าสนใจและดึงดูดใจในด้านสุนทรียภาพในตัวมันเอง แต่ยังเป็นพื้นฐานที่สำคัญอีกด้วย ความสำคัญในการทำความเข้าใจกับฟิสิกส์ที่สำคัญของวัสดุเหล่านี้” ดร. Steven Kivelson ศาสตราจารย์ Prabhu Goel Family ที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดและนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีที่เชี่ยวชาญด้านสถานะอิเล็กทรอนิกส์ใหม่ในวัสดุควอนตัมกล่าว “รูปแบบของระเบียบนีมาติกบางรูปแบบ ซึ่งโดยทั่วไปคิดว่าเป็นอวตารของระเบียบคลื่นความหนาแน่นของประจุที่เก่าแก่กว่านั้น ได้รับการคาดคะเนว่ามีบทบาทสำคัญในทฤษฎีของคัพเรต แต่หลักฐานที่สนับสนุนข้อเสนอนี้เคยเป็นมาก่อนหน้านี้ คลุมเครือที่ดีที่สุด การอนุมานที่สำคัญสองประการตามมาจากการวิเคราะห์ของ Carlson et al.: 1) ข้อเท็จจริงที่ว่าโดเมนเนมาติกปรากฏเป็นแฟร็กทัลบ่งบอกเป็นนัยว่าความยาวสหสัมพันธ์ - ระยะทางที่ลำดับเนมาติกรักษาการเชื่อมโยงกัน - มีขนาดใหญ่กว่ามุมมองของการทดลอง ซึ่งหมายความว่ามีขนาดใหญ่มากเมื่อเทียบกับเครื่องชั่งระดับจุลทรรศน์อื่นๆ 2) ข้อเท็จจริงที่ว่ารูปแบบที่แสดงลักษณะของลำดับนั้นเหมือนกันกับที่ได้จากการศึกษาแบบจำลอง Ising ของสนามสุ่มสามมิติ ซึ่งเป็นหนึ่งในแบบจำลองกระบวนทัศน์ของกลศาสตร์สถิติแบบคลาสสิก แสดงให้เห็นว่าขอบเขตของลำดับนิวมาติกถูกกำหนดโดยสิ่งภายนอก ปริมาณและที่อยู่ภายใน (เช่นในกรณีที่ไม่มีความไม่สมบูรณ์ของผลึก) มันจะยังคงแสดงความสัมพันธ์ในระยะไกลขึ้น ไม่ใช่แค่ตามพื้นผิว แต่ขยายลึกเข้าไปในกลุ่มของผลึก”

ภาพความละเอียดสูงของแฟร็กทัลเหล่านี้ถูกถ่ายอย่างระมัดระวังในห้องทดลองของฮอฟแมนที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด และห้องทดลองของฮัดสัน ซึ่งปัจจุบันอยู่ที่เพนน์สเตต โดยใช้กล้องจุลทรรศน์อุโมงค์สแกน (STM) เพื่อวัดอิเล็กตรอนที่พื้นผิวของ BSCO ซึ่งเป็นตัวนำยิ่งยวดแบบถ้วย กล้องจุลทรรศน์สแกนอะตอมทีละอะตอมทั่วพื้นผิวด้านบนของ BSCO และสิ่งที่พวกเขาพบคือการวางแนวของแถบที่ไปในสองทิศทางที่แตกต่างกันแทนที่จะเป็นทิศทางเดียวกัน ผลลัพธ์ที่เห็นด้านบนเป็นสีแดงและสีน้ำเงินเป็นภาพหยักที่สร้างรูปแบบที่น่าสนใจของการวางแนวของแถบอิเล็กทรอนิกส์

“รูปแบบอิเล็กทรอนิกส์มีความซับซ้อน โดยมีรูอยู่ภายในรู และขอบที่มีลักษณะคล้ายลวดลายวิจิตร” คาร์ลสันอธิบาย “การใช้เทคนิคจากคณิตศาสตร์เศษส่วน เรากำหนดลักษณะของรูปร่างเหล่านี้โดยใช้ตัวเลขที่เป็นเศษส่วน นอกจากนี้ เราใช้วิธีการทางสถิติจากการเปลี่ยนเฟสเพื่อระบุลักษณะต่างๆ เช่น จำนวนคลัสเตอร์ที่มีขนาดที่แน่นอน และแนวโน้มที่ไซต์จะอยู่ในคลัสเตอร์เดียวกัน”

เมื่อกลุ่ม Carlson วิเคราะห์รูปแบบเหล่านี้แล้ว พวกเขาพบผลลัพธ์ที่น่าประหลาดใจ รูปแบบเหล่านี้ไม่ได้ก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวเท่านั้น เช่น พฤติกรรมแฟร็กทัลเลเยอร์แบบเรียบ แต่พวกมันเติมเต็มพื้นที่ในสามมิติ การจำลองสำหรับการค้นพบนี้ดำเนินการที่ Purdue University โดยใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ของ Purdue ที่ Rosen Center for Advanced Computing ตัวอย่างที่ระดับยาสลบที่แตกต่างกัน XNUMX ตัวอย่างถูกวัดโดย Harvard และ Penn State และผลลัพธ์ที่ได้ก็คล้ายคลึงกันในตัวอย่างทั้ง XNUMX ตัวอย่าง

ความร่วมมือที่ไม่เหมือนใครระหว่าง Illinois (Dahmen) และ Purdue (Carlson) นำเทคนิคคลัสเตอร์จากกลศาสตร์ทางสถิติที่ไม่เป็นระเบียบมาใช้ในสาขาวัสดุควอนตัม เช่น ตัวนำยิ่งยวด กลุ่มของคาร์ลสันได้ปรับเทคนิคนี้เพื่อนำไปใช้กับวัสดุควอนตัม โดยขยายทฤษฎีของการเปลี่ยนเฟสลำดับที่สองไปสู่เศษส่วนอิเล็กทรอนิกส์ในวัสดุควอนตัม

“สิ่งนี้ทำให้เราเข้าใกล้ความเข้าใจมากขึ้นอีกขั้นหนึ่งว่าตัวนำยิ่งยวดแบบคัพเรตทำงานอย่างไร” คาร์ลสันอธิบาย “สมาชิกของกลุ่มตัวนำยิ่งยวดนี้เป็นตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิสูงที่สุดซึ่งเกิดขึ้นที่ความดันบรรยากาศ หากเราสามารถหาตัวนำยิ่งยวดที่ทำงานที่ความดันและอุณหภูมิแวดล้อมได้ เราก็สามารถแก้ปัญหาวิกฤตพลังงานได้ไกล เพราะสายไฟที่เราใช้เดินระบบอิเล็กทรอนิกส์ในปัจจุบันเป็นโลหะมากกว่าตัวนำยิ่งยวด ตัวนำยิ่งยวดนำกระแสได้อย่างสมบูรณ์แบบโดยไม่สูญเสียพลังงาน ซึ่งแตกต่างจากโลหะ ในทางกลับกัน สายไฟทั้งหมดที่เราใช้ในสายไฟภายนอกอาคารนั้นใช้โลหะ ซึ่งสูญเสียพลังงานตลอดเวลาที่จ่ายกระแสไฟฟ้า ตัวนำยิ่งยวดยังเป็นที่สนใจเพราะสามารถใช้เพื่อสร้างสนามแม่เหล็กที่สูงมากและสำหรับการลอยตัวของแม่เหล็ก ปัจจุบันมีการใช้ (กับอุปกรณ์ระบายความร้อนขนาดใหญ่!) ใน MRI ในโรงพยาบาลและรถไฟลอยได้”

ขั้นตอนต่อไปสำหรับกลุ่มคาร์ลสันคือการใช้เทคนิคคลัสเตอร์คาร์ลสัน-ดาห์เมนกับวัสดุควอนตัมอื่นๆ

“การใช้เทคนิคคลัสเตอร์เหล่านี้ทำให้เราสามารถระบุเศษส่วนอิเล็กทรอนิกส์ในวัสดุควอนตัมอื่นๆ รวมถึงวาเนเดียมไดออกไซด์ (VO2) และนีโอไดเมียม นิเคเลต (NdNiO3) เราสงสัยว่าพฤติกรรมนี้อาจค่อนข้างแพร่หลายในวัสดุควอนตัม” คาร์ลสันกล่าว

การค้นพบประเภทนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์ควอนตัมเข้าใกล้การไขปริศนาของตัวนำยิ่งยวดมากขึ้น

“The general field of quantum materials aims to bring to the forefront the quantum properties of materials, to a place where we can control them and use them for technology,” Carlson explains. “Each time a new type of quantum material is discovered or created, we gain new capabilities, as dramatic as painters discovering a new color to paint with."

เงินทุนสำหรับการทำงานที่ Purdue University สำหรับการวิจัยนี้ ได้แก่ National Science Foundation, Bilsland Dissertation Fellowship (สำหรับ Dr. Liu) และ Research Corporation for Science Advancement

####

เกี่ยวกับมหาวิทยาลัยเพอร์ดู
Purdue University เป็นสถาบันวิจัยสาธารณะชั้นนำที่พัฒนาแนวทางปฏิบัติเพื่อรับมือกับความท้าทายที่ยากที่สุดในปัจจุบัน Purdue ได้รับการจัดอันดับในแต่ละช่วงห้าปีที่ผ่านมาให้เป็นหนึ่งใน 10 มหาวิทยาลัยที่มีนวัตกรรมมากที่สุดในสหรัฐอเมริกาโดย US News & World Report Purdue มอบการวิจัยที่เปลี่ยนแปลงโลกและการค้นพบนอกโลก Purdue มุ่งมั่นในการเรียนรู้ภาคปฏิบัติและออนไลน์ในโลกแห่งความเป็นจริง มอบการศึกษาที่เปลี่ยนแปลงให้กับทุกคน ด้วยความมุ่งมั่นในเรื่องความสามารถในการจ่ายและความสามารถในการเข้าถึง Purdue ได้หยุดค่าเล่าเรียนและค่าธรรมเนียมส่วนใหญ่ไว้ที่ระดับปี 2012-13 ทำให้นักศึกษาจำนวนมากขึ้นสามารถสำเร็จการศึกษาโดยไม่มีหนี้สิน ดูว่า Purdue ไม่เคยหยุดนิ่งในการไล่ตามการก้าวกระโดดครั้งใหญ่ครั้งต่อไปอย่างไม่ลดละได้อย่างไร https://stories.purdue.edu .

เกี่ยวกับภาควิชาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ที่ Purdue University

ภาควิชาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ของ Purdue มีประวัติอันยาวนานและยาวนานย้อนหลังไปถึงปี 1904 คณาจารย์และนักศึกษาของเรากำลังสำรวจธรรมชาติในทุกระดับความยาว ตั้งแต่ระดับปรมาณูจนถึงระดับมหภาค และทุกสิ่งในระหว่างนั้น ด้วยชุมชนคณาจารย์ postdocs และนักศึกษาที่ยอดเยี่ยมและหลากหลายซึ่งกำลังผลักดันพรมแดนทางวิทยาศาสตร์ใหม่ เรานำเสนอสภาพแวดล้อมการเรียนรู้แบบไดนามิก ชุมชนการวิจัยที่ครอบคลุม และเครือข่ายนักวิชาการที่มีส่วนร่วม

ฟิสิกส์และดาราศาสตร์เป็นหนึ่งในเจ็ดแผนกภายในวิทยาลัยวิทยาศาสตร์มหาวิทยาลัยเพอร์ดู การวิจัยระดับโลกดำเนินการในสาขาฟิสิกส์ดาราศาสตร์ ทัศนศาสตร์อะตอมและโมเลกุล เครื่องเร่งมวลสาร ชีวฟิสิกส์ ฟิสิกส์สสารควบแน่น วิทยาศาสตร์ข้อมูลควอนตัม ฟิสิกส์อนุภาคและนิวเคลียร์ สิ่งอำนวยความสะดวกที่ทันสมัยของเราอยู่ในอาคารฟิสิกส์ แต่นักวิจัยของเรายังทำงานแบบสหวิทยาการที่ดิสคัฟเวอรีพาร์คดิสตริกต์ในเพอร์ดู โดยเฉพาะอย่างยิ่งศูนย์นาโนเทคโนโลยี Birck และศูนย์วิทยาศาสตร์ชีวภาพ Bindley นอกจากนี้ เรายังมีส่วนร่วมในการวิจัยระดับโลก เช่น Large Hadron Collider ที่ CERN, Argonne National Laboratory, Brookhaven National Laboratory, Fermilab, Stanford Linear Accelerator, James Webb Space Telescope และหอดูดาวอีกหลายแห่งทั่วโลก

เกี่ยวกับ Purdue Quantum Science and Engineering Institute (PQSEI)

PQSEI ตั้งอยู่ใน Discovery Park District ส่งเสริมการพัฒนาด้านการปฏิบัติและผลกระทบของวิทยาศาสตร์ควอนตัม และมุ่งเน้นไปที่การค้นพบและศึกษาวัสดุ อุปกรณ์ และระบบควอนตัมทางกายภาพพื้นฐานใหม่ ๆ ซึ่งจะเหมาะสำหรับการรวมเข้ากับเทคโนโลยีแห่งอนาคต ส่งเสริมการทำงานร่วมกันแบบสหวิทยาการที่นำไปสู่การออกแบบและการทำให้เป็นจริงของอุปกรณ์ควอนตัมด้วยฟังก์ชันและประสิทธิภาพที่ได้รับการปรับปรุงให้ใกล้เคียงกับขีดจำกัดพื้นฐาน โดยมีเป้าหมายเพื่อนำอุปกรณ์เหล่านี้ไปสู่ชุมชนผู้ใช้ที่กว้างขวางในที่สุด คณาจารย์ของ PQSEI ทำงานในหัวข้อที่หลากหลายในวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมควอนตัม ซึ่งรวมถึงวัสดุและอุปกรณ์ควอนตัม โฟโตนิกส์ควอนตัม ฟิสิกส์ระดับโมเลกุลและออปติกของอะตอม เคมีควอนตัม การวัดและควบคุมควอนตัม การจำลองควอนตัม และข้อมูลควอนตัมและการคำนวณ สุดท้ายนี้ PQSEI ทำงานเพื่อฝึกฝนนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรควอนตัมรุ่นต่อไปเพื่อตอบสนองความต้องการพนักงานควอนตัมที่เพิ่มขึ้น

สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมกรุณาคลิก โปรดคลิกที่นี่เพื่ออ่านรายละเอียดเพิ่มเติม

ติดต่อ:
บริททานี สเตฟฟ์
มหาวิทยาลัยเพอร์ดู
สำนักงาน: 765-494 7833-

ลิขสิทธิ์©มหาวิทยาลัยเพอร์ดู

หากคุณมีความคิดเห็นโปรด ติดต่อ เรา

ผู้ออกข่าวประชาสัมพันธ์ไม่ใช่ 7th Wave, Inc. หรือ Nanotechnology Now มีหน้าที่รับผิดชอบต่อความถูกต้องของเนื้อหา แต่เพียงผู้เดียว

บุ๊คมาร์ค: