Công nghệ nano ngay bây giờ - Thông cáo báo chí: Các nhà nghiên cứu tại Đại học Purdue khám phá ra các hình ảnh siêu dẫn thực sự là 3D và các Fractals điều khiển rối loạn

Được xuất bản lại bởi Plato

Người theo dõi: 0

Trang Chủ > Ấn Bản > Các nhà nghiên cứu tại Purdue khám phá ra những hình ảnh siêu dẫn thực sự là 3D và các fractal điều khiển rối loạn

Tóm tắt:
Đáp ứng nhu cầu năng lượng của thế giới đang đạt đến một điểm quan trọng. Cung cấp năng lượng cho thời đại công nghệ đã gây ra các vấn đề trên toàn cầu. Điều ngày càng quan trọng là tạo ra các chất siêu dẫn có thể hoạt động ở áp suất và nhiệt độ xung quanh. Điều này sẽ đi một chặng đường dài hướng tới giải quyết cuộc khủng hoảng năng lượng.

Các nhà nghiên cứu tại Purdue phát hiện ra những hình ảnh siêu dẫn thực sự là 3D và các fractal do rối loạn điều khiển

Tây Lafayette, IN | Đăng ngày 12 tháng 2023 năm XNUMX

Những tiến bộ với tính siêu dẫn xoay quanh những tiến bộ trong vật liệu lượng tử. Khi các electron bên trong vật liệu lượng tử trải qua quá trình chuyển pha, các electron có thể tạo thành các mẫu phức tạp, chẳng hạn như fractals. Một fractal là một mô hình không bao giờ kết thúc. Khi phóng to fractal, hình ảnh trông giống nhau. Fractals thường thấy có thể là một cái cây hoặc sương giá trên ô cửa sổ vào mùa đông. Fractals có thể hình thành trong không gian hai chiều, giống như lớp sương trên cửa sổ hoặc trong không gian ba chiều giống như cành cây.

Tiến sĩ Erica Carlson, Giáo sư Vật lý và Thiên văn học kỷ niệm 150 năm tại Đại học Purdue, đã lãnh đạo một nhóm phát triển các kỹ thuật lý thuyết để mô tả đặc điểm của các hình dạng fractal mà các electron này tạo ra, nhằm khám phá cơ sở vật lý cơ bản điều khiển các mô hình.

Carlson, một nhà vật lý lý thuyết, đã đánh giá các hình ảnh có độ phân giải cao về vị trí của các electron trong chất siêu dẫn Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x (BSCO) và xác định rằng những hình ảnh này thực sự là fractal và phát hiện ra rằng chúng mở rộng ra toàn bộ không gian ba chiều bị vật chất chiếm chỗ, giống như cây cối lấp đầy không gian.

Điều từng được coi là sự phân tán ngẫu nhiên trong các hình ảnh fractal là có mục đích và thật đáng ngạc nhiên, không phải do sự chuyển pha lượng tử cơ bản như mong đợi, mà do sự chuyển pha do rối loạn điều khiển.

Carlson đã lãnh đạo một nhóm cộng tác gồm các nhà nghiên cứu ở nhiều tổ chức và công bố phát hiện của họ, có tiêu đề “Mối tương quan chủ đề quan trọng trong phạm vi pha tạp siêu dẫn trong Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x” trên tạp chí Nature Communications.

Nhóm bao gồm các nhà khoa học Purdue và các tổ chức đối tác. Từ Purdue, nhóm bao gồm Carlson, Tiến sĩ Forrest Simmons, nghiên cứu sinh tiến sĩ gần đây và các cựu nghiên cứu sinh Tiến sĩ Shuo Liu và Tiến sĩ Benjamin Phillabaum. Nhóm Purdue đã hoàn thành công việc của họ trong Viện Khoa học và Kỹ thuật Lượng tử Purdue (PQSEI). Nhóm từ các tổ chức đối tác bao gồm Tiến sĩ Jennifer Hoffman, Tiến sĩ Can-Li Song, Tiến sĩ Elizabeth Main của Đại học Harvard, Tiến sĩ Karin Dahmen của Đại học Urbana-Champaign và Tiến sĩ Eric Hudson của Đại học Bang Pennsylvania.

“Việc quan sát các mẫu fractal của các miền định hướng ('nematic') – được Carlson và các cộng tác viên khéo léo trích xuất từ các hình ảnh STM của các bề mặt tinh thể của chất siêu dẫn nhiệt độ cao cuprate – bản thân nó rất thú vị và hấp dẫn về mặt thẩm mỹ, nhưng cũng có giá trị cơ bản đáng kể. Tiến sĩ Steven Kivelson, Giáo sư Gia đình Prabhu Goel tại Đại học Stanford và là nhà vật lý lý thuyết chuyên về các trạng thái điện tử mới trong vật liệu lượng tử cho biết tầm quan trọng của việc nắm bắt được tính chất vật lý cơ bản của những vật liệu này. “Một dạng trật tự sơ đồ nào đó, thường được coi là hiện thân của trật tự sóng điện tích-mật độ nguyên thủy hơn, đã được phỏng đoán là đóng một vai trò quan trọng trong lý thuyết về cuprate, nhưng bằng chứng ủng hộ đề xuất này trước đây đã được đưa ra. tốt nhất là mơ hồ. Hai suy luận quan trọng rút ra từ phân tích của Carlson và cộng sự: 1) Thực tế là các miền sơ đồ xuất hiện fractal ngụ ý rằng độ dài tương quan – khoảng cách mà trật tự sơ đồ duy trì sự gắn kết – lớn hơn trường quan sát của thí nghiệm, có nghĩa là nó rất lớn so với các vảy vi mô khác. 2) Thực tế là các mẫu đặc trưng cho trật tự giống như các mẫu thu được từ các nghiên cứu về mô hình Ising trường ngẫu nhiên ba chiều – một trong những mô hình nghịch biến của cơ học thống kê cổ điển – gợi ý rằng phạm vi của trật tự chủ đề được xác định bởi yếu tố bên ngoài. và về bản chất (tức là trong trường hợp không có sự không hoàn hảo của tinh thể), nó sẽ thể hiện các mối tương quan ở phạm vi dài hơn không chỉ dọc theo bề mặt, mà còn mở rộng sâu vào phần lớn của tinh thể.”

Những hình ảnh có độ phân giải cao của những fractal này được chụp một cách cẩn thận trong phòng thí nghiệm của Hoffman tại Đại học Harvard và phòng thí nghiệm của Hudson, hiện tại ở Penn State, sử dụng kính hiển vi quét đường hầm (STM) để đo các electron trên bề mặt của BSCO, một chất siêu dẫn dạng cuprate. Kính hiển vi quét từng nguyên tử trên bề mặt trên cùng của BSCO và những gì họ tìm thấy là các hướng sọc đi theo hai hướng khác nhau thay vì cùng một hướng. Kết quả, nhìn thấy ở trên với màu đỏ và xanh lam, là một hình ảnh lởm chởm tạo thành các mô hình định hướng sọc điện tử thú vị.

Carlson giải thích: “Các mẫu điện tử rất phức tạp, với các lỗ bên trong các lỗ và các cạnh giống như đồ chạm trổ công phu. “Sử dụng các kỹ thuật từ toán học fractal, chúng tôi mô tả các hình dạng này bằng cách sử dụng các số fractal. Ngoài ra, chúng tôi sử dụng các phương pháp thống kê từ các giai đoạn chuyển tiếp để mô tả những thứ như số lượng cụm có kích thước nhất định và khả năng các trang web nằm trong cùng một cụm như thế nào”.

Sau khi nhóm Carlson phân tích các mẫu này, họ đã tìm thấy một kết quả đáng ngạc nhiên. Những mô hình này không chỉ hình thành trên bề mặt như hành vi fractal của lớp phẳng, mà chúng lấp đầy không gian trong không gian ba chiều. Các mô phỏng cho khám phá này đã được thực hiện tại Đại học Purdue bằng cách sử dụng các siêu máy tính của Purdue tại Trung tâm Điện toán Cao cấp Rosen. Các mẫu ở năm mức độ pha tạp khác nhau được đo bởi Harvard và Penn State, và kết quả là tương tự nhau giữa cả năm mẫu.

Sự hợp tác độc đáo giữa Illinois (Dahmen) và Purdue (Carlson) đã đưa các kỹ thuật cụm từ cơ học thống kê rối loạn vào lĩnh vực vật liệu lượng tử như chất siêu dẫn. Nhóm của Carlson đã điều chỉnh kỹ thuật này để áp dụng cho vật liệu lượng tử, mở rộng lý thuyết về chuyển pha bậc hai sang các fractal điện tử trong vật liệu lượng tử.

Carlson giải thích: “Điều này đưa chúng ta tiến thêm một bước đến việc hiểu cách thức hoạt động của chất siêu dẫn cuprate. “Các thành viên của họ chất siêu dẫn này hiện là chất siêu dẫn có nhiệt độ cao nhất xảy ra ở áp suất xung quanh. Nếu chúng ta có thể tạo ra các chất siêu dẫn hoạt động ở áp suất và nhiệt độ xung quanh, thì chúng ta có thể tiến một bước dài trong việc giải quyết cuộc khủng hoảng năng lượng vì dây dẫn mà chúng ta hiện đang sử dụng để chạy các thiết bị điện tử là kim loại chứ không phải chất siêu dẫn. Không giống như kim loại, chất siêu dẫn mang dòng điện một cách hoàn hảo mà không bị mất năng lượng. Mặt khác, tất cả các dây chúng ta sử dụng trong đường dây điện ngoài trời đều sử dụng kim loại, chúng sẽ mất năng lượng trong suốt thời gian chúng mang dòng điện. Các chất siêu dẫn cũng được quan tâm vì chúng có thể được sử dụng để tạo ra từ trường rất cao và để bay lên từ trường. Chúng hiện đang được sử dụng (với các thiết bị làm mát khổng lồ!) trong chụp cộng hưởng từ ở bệnh viện và tàu bay.”

Các bước tiếp theo của nhóm Carlson là áp dụng các kỹ thuật cụm Carlson-Dahmen cho các vật liệu lượng tử khác.

“Bằng cách sử dụng các kỹ thuật cụm này, chúng tôi cũng đã xác định được các fractal điện tử trong các vật liệu lượng tử khác, bao gồm vanadi dioxide (VO2) và niken neodymium (NdNiO3). Chúng tôi nghi ngờ rằng hành vi này thực sự có thể khá phổ biến trong các vật liệu lượng tử,” Carlson nói.

Kiểu khám phá này đưa các nhà khoa học lượng tử đến gần hơn với việc giải đáp những bí ẩn về tính siêu dẫn.

Carlson giải thích: “Lĩnh vực chung về vật liệu lượng tử nhằm mục đích đưa các đặc tính lượng tử của vật liệu lên hàng đầu, đến mức chúng ta có thể kiểm soát chúng và sử dụng chúng cho công nghệ”. “Mỗi khi một loại vật liệu lượng tử mới được phát hiện hoặc tạo ra, chúng ta lại có được những khả năng mới, ấn tượng như việc các họa sĩ khám phá ra một màu sắc mới để vẽ.”

Tài trợ cho công việc tại Đại học Purdue cho nghiên cứu này bao gồm Quỹ Khoa học Quốc gia, Học bổng Luận án Bilsland (dành cho Tiến sĩ Liu) và Tập đoàn Nghiên cứu Tiến bộ Khoa học.

####

Về Đại học Purdue
Đại học Purdue là một tổ chức nghiên cứu công lập hàng đầu đang phát triển các giải pháp thiết thực cho những thách thức khó khăn nhất hiện nay. Được US News & World Report xếp hạng trong 10 năm qua là một trong 2012 trường đại học sáng tạo nhất tại Hoa Kỳ, Purdue cung cấp nghiên cứu thay đổi thế giới và khám phá ngoài thế giới này. Cam kết thực hành và trực tuyến, học tập trong thế giới thực, Purdue cung cấp một nền giáo dục biến đổi cho tất cả mọi người. Cam kết về khả năng chi trả và khả năng tiếp cận, Purdue đã đóng băng học phí và hầu hết các khoản phí ở mức 13-XNUMX, tạo điều kiện cho nhiều sinh viên hơn bao giờ hết tốt nghiệp mà không mắc nợ. Xem cách Purdue không bao giờ dừng lại trong việc kiên trì theo đuổi bước nhảy khổng lồ tiếp theo tại https://stories.purdue.edu .

Giới thiệu về Khoa Vật lý và Thiên văn học tại Đại học Purdue

Khoa Vật lý và Thiên văn học Purdue có một lịch sử phong phú và lâu đời từ năm 1904. Các giảng viên và sinh viên của chúng tôi đang khám phá thiên nhiên ở mọi quy mô chiều dài, từ hạ nguyên tử đến vĩ mô và mọi thứ ở giữa. Với một cộng đồng giảng viên, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ và sinh viên xuất sắc và đa dạng, những người đang thúc đẩy các giới hạn khoa học mới, chúng tôi cung cấp một môi trường học tập năng động, một cộng đồng nghiên cứu toàn diện và một mạng lưới học giả hấp dẫn.

Vật lý và Thiên văn học là một trong bảy khoa của Đại học Khoa học Purdue. Nghiên cứu tầm cỡ thế giới được thực hiện trong vật lý thiên văn, quang học nguyên tử và phân tử, khối phổ máy gia tốc, vật lý sinh học, vật lý vật chất ngưng tụ, khoa học thông tin lượng tử, vật lý hạt và hạt nhân. Các cơ sở hiện đại của chúng tôi nằm trong Tòa nhà Vật lý, nhưng các nhà nghiên cứu của chúng tôi cũng tham gia vào công việc liên ngành tại Discovery Park District ở Purdue, đặc biệt là Trung tâm Công nghệ Nano Birck và Trung tâm Khoa học Sinh học Bindley. Chúng tôi cũng tham gia vào nghiên cứu toàn cầu bao gồm tại Máy Va chạm Hadron Lớn tại CERN, Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven, Fermilab, Máy gia tốc tuyến tính Stanford, Kính viễn vọng Không gian James Webb và một số đài quan sát trên khắp thế giới.

Giới thiệu về Viện Khoa học và Kỹ thuật lượng tử Purdue (PQSEI)

Tọa lạc tại Discovery Park District, PQSEI thúc đẩy sự phát triển của các khía cạnh thực tế và tác động của khoa học lượng tử, đồng thời tập trung vào khám phá và nghiên cứu các vật liệu, thiết bị mới và hệ thống lượng tử vật lý cơ bản phù hợp để tích hợp vào công nghệ của ngày mai. Nó khuyến khích sự hợp tác liên ngành dẫn đến việc thiết kế và hiện thực hóa các thiết bị lượng tử với chức năng và hiệu suất được nâng cao gần với giới hạn cơ bản, nhằm mục đích cuối cùng là đưa chúng đến với một cộng đồng người dùng rộng lớn. Các giảng viên của PQSEI làm việc về nhiều chủ đề trong khoa học và kỹ thuật lượng tử bao gồm vật liệu và thiết bị lượng tử, quang tử lượng tử, vật lý phân tử và quang học nguyên tử, hóa học lượng tử, đo lường và kiểm soát lượng tử, mô phỏng lượng tử, thông tin và điện toán lượng tử. Cuối cùng, PQSEI hoạt động để đào tạo thế hệ các nhà khoa học và kỹ sư lượng tử tiếp theo nhằm đáp ứng nhu cầu lực lượng lao động lượng tử ngày càng tăng.

Để biết thêm thông tin, xin vui lòng bấm vào tại đây

Liên hệ:
Brittany Steff
Đại học Purdue
Văn phòng: 765-494-7833

Nếu bạn có một bình luận, xin vui lòng Liên hệ chúng tôi.

Các tổ chức phát hành tin tức, không phải 7th Wave, Inc. hay Nanotech Now, chỉ chịu trách nhiệm về tính chính xác của nội dung.

Bookmark: