现在的纳米技术 - 新闻稿：普渡大学的研究人员发现超导图像实际上是 3D 和无序驱动的分形

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摘要：
满足世界能源需求正达到一个临界点。为技术时代提供动力已经在全球范围内引发了问题。制造可以在环境压力和温度下工作的超导体变得越来越重要。这将大大有助于解决能源危机。

普渡大学的研究人员发现超导图像实际上是 3D 和无序驱动的分形

印第安纳州西拉斐特 | 发表于 12 年 2023 月 XNUMX 日

超导性的进步取决于量子材料的进步。当量子材料内部的电子经历相变时，电子可以形成复杂的图案，例如分形。分形是一种永无止境的模式。放大分形时，图像看起来是一样的。常见的分形可以是一棵树，也可以是冬天窗玻璃上的霜。分形可以在二维空间中形成，例如窗户上的霜，也可以在三维空间中形成，例如树枝。

埃里卡·卡尔森 (Erica Carlson) 博士是普渡大学 (Purdue University) 物理学和天文学 150 周年纪念教授，他领导的团队开发了理论技术来表征这些电子形成的分形形状，以揭示驱动这些模式的潜在物理原理。

理论物理学家卡尔森评估了超导体 Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x (BSCO) 中电子位置的高分辨率图像，并确定这些图像确实是分形的，并发现它们延伸到完整的三维空间被材料占据，就像一棵树填充空间。

曾经被认为是分形图像中的随机色散是有目的的，令人震惊的是，这并不是由于预期的潜在量子相变，而是由于无序驱动的相变。

卡尔森领导了一个由多个机构的研究人员组成的协作团队，并在《自然通讯》上发表了他们的研究结果，题为“Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x 中整个超导掺杂范围的临界向列相关性”。

该团队包括普渡大学的科学家和合作机构。来自普渡大学的团队包括 Carlson、最近的博士生 Forrest Simmons 博士以及前博士生 Shuo Liu 博士和 Benjamin Phillabaum 博士。普渡团队在普渡量子科学与工程研究所 (PQSEI) 内完成了他们的工作。来自合作机构的团队包括哈佛大学的Jennifer Hoffman博士、Can-Li Song博士、Elizabeth Main博士、厄巴纳-香槟大学的Karin Dahmen博士和宾夕法尼亚州立大学的Eric Hudson博士。

“对取向（‘向列’）域的分形图案的观察——卡尔森和合作者从铜酸盐高温超导体晶体表面的 STM 图像中巧妙地提取出来——本身就很有趣并且在美学上很吸引人，但也具有相当大的基础斯坦福大学 Prabhu Goel Family 教授史蒂文·基维尔森 (Steven Kivelson) 博士和专门研究量子材料中新型电子态的理论物理学家说。 “某种形式的向列序，通常被认为是更原始的电荷密度波序的化身，已被推测在铜酸盐理论中发挥重要作用，但支持这一命题的证据以前是充其量是模棱两可的。 Carlson 等人的分析得出两个重要的推论：1) 向列域出现分形的事实意味着相关长度——向列顺序保持相干性的距离——大于实验的视野，这意味着与其他微观尺度相比，它非常大。 2) 表征顺序的模式与从三维随机场伊辛模型（经典统计力学的范例模型之一）的研究中获得的模式相同这一事实表明，向列顺序的范围由外在决定数量和本质上（即在没有晶体缺陷的情况下）它会表现出更长范围的相关性，不仅沿着表面，而且延伸到晶体的深处。”

这些分形的高分辨率图像是哈佛大学霍夫曼实验室和宾夕法尼亚州立大学哈德森实验室精心拍摄的，使用扫描隧道显微镜 (STM) 测量铜酸盐超导体 BSCO 表面的电子。显微镜逐个原子地扫描 BSCO 的顶面，他们发现条纹方向是两个不同的方向，而不是相同的方向。结果如上图红色和蓝色所示，是一个锯齿状的图像，形成有趣的电子条纹方向图案。

“电子图案很复杂，孔内有孔，边缘类似于华丽的花丝，”卡尔森解释说。 “使用分形数学技术，我们使用分形数来表征这些形状。此外，我们使用相变的统计方法来描述特定大小的集群数量，以及站点在同一集群中的可能性。”

卡尔森小组分析了这些模式后，他们发现了一个令人惊讶的结果。这些图案不像平层分形行为那样仅在表面形成，而是在三个维度上填充空间。这一发现的模拟是在普渡大学使用罗森高级计算中心的普渡超级计算机进行的。哈佛大学和宾夕法尼亚州立大学测量了五种不同掺杂水平的样品，所有五个样品的结果相似。

伊利诺伊州 (Dahmen) 和普渡大学 (Carlson) 之间的独特合作将集群技术从无序统计力学带入了超导体等量子材料领域。 Carlson 的团队将该技术应用于量子材料，将二阶相变理论扩展到量子材料中的电子分形。

“这让我们更进一步了解铜酸盐超导体的工作原理，”卡尔森解释说。 “这个超导体家族的成员是目前在环境压力下发生的最高温度超导体。如果我们能够获得在环境压力和温度下工作的超导体，我们就可以在解决能源危机方面大有作为，因为我们目前用来运行电子设备的电线是金属而不是超导体。与金属不同，超导体完美地承载电流而没有能量损失。另一方面，我们在户外电源线中使用的所有电线都使用金属，它们在承载电流的整个过程中都会损失能量。超导体也很受关注，因为它们可用于产生非常高的磁场，并用于磁悬浮。它们目前用于医院和悬浮列车的核磁共振成像（带有大量冷却装置！）。”

Carlson 小组的下一步是将 Carlson-Dahmen 簇技术应用于其他量子材料。

“使用这些集群技术，我们还发现了其他量子材料中的电子分形，包括二氧化钒 (VO2) 和镍酸钕 (NdNiO3)。我们怀疑这种行为实际上可能在量子材料中非常普遍，”卡尔森说。

这种类型的发现使量子科学家更接近解决超导性之谜。

“量子材料的一般领域旨在将材料的量子特性带到最前沿，使我们能够控制它们并将它们用于技术，”卡尔森解释道。 “每次发现或创造出一种新型量子材料，我们都会获得新的能力，就像画家发现一种新的绘画颜色一样引人注目。”

普渡大学为这项研究工作提供的资金包括国家科学基金会、Bilsland 论文奖学金（刘博士）和科学进步研究公司。

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普渡大学是顶尖的公共研究机构，致力于为当今最严峻的挑战开发实用的解决方案。普渡大学在过去五年中每年都被《美国新闻与世界报道》评为美国 10 所最具创新力的大学之一，提供改变世界的研究和非凡的发现。 Purdue 致力于实践和在线、真实世界的学习，为所有人提供变革性的教育。普渡大学致力于提高可负担性和可及性，已将学费和大部分费用冻结在 2012-13 年的水平，使比以往更多的学生能够无债务毕业。看普渡如何永不止步地执着追求下一个飞跃 https://stories.purdue.edu .

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物理与天文学是普渡大学理学院的七个系之一。在天体物理学、原子和分子光学、加速器质谱、生物物理学、凝聚态物理学、量子信息科学、粒子和核物理学方面进行了世界一流的研究。我们最先进的设施位于物理大楼，但我们的研究人员还在普渡大学探索公园区从事跨学科工作，特别是伯克纳米技术中心和宾德利生物科学中心。我们还参与全球研究，包括 CERN 的大型强子对撞机、阿贡国家实验室、布鲁克海文国家实验室、费米实验室、斯坦福直线加速器、詹姆斯韦伯太空望远镜和世界各地的几个天文台。

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PQSEI 位于 Discovery Park District，促进量子科学实用和有影响力的发展，专注于发现和研究适合集成到未来技术中的新材料、设备和基本物理量子系统。它鼓励跨学科合作，从而设计和实现具有接近基本极限的增强功能和性能的量子设备，旨在最终将它们带给广大的用户社区。 PQSEI 教职员工致力于量子科学与工程领域的广泛主题，包括量子材料与器件、量子光子学、原子分子与光学物理、量子化学、量子测量与控制、量子模拟以及量子信息与计算。最后，PQSEI 致力于培养下一代量子科学家和工程师，以满足不断增长的量子劳动力需求。

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