„Purple Bronze Discovery” dezvăluie „cheia perfectă” pentru viitoarea tehnologie

Oamenii de știință cuantici au descoperit un fenomen în bronzul violet care ar putea fi cheia dezvoltării „comutatorului perfect” în dispozitivele cuantice care comută între izolator și supraconductor.

Cercetare efectuată de Universitatea din Bristol și publicată în ȘtiințeAceste două stări electronice opuse se găsesc în bronzul violet, un metal unidimensional compus din lanțuri de atomi conducători individuali.

De exemplu, mici modificări într-un material, declanșate de un mic stimul, cum ar fi căldura sau lumina, pot declanșa o tranziție instantanee de la o stare izolatoare cu conductivitate zero la un supraconductor cu conductivitate nelimitată și invers. Această diversitate de polarizare, cunoscută sub numele de „simetrie emergentă”, are potențialul de a oferi un comutator perfect de pornire/oprire în viitoarele dezvoltări ale tehnologiei cuantice.

Imaginea prezintă o reprezentare a simetriei emergente, arătând o picătură de apă perfect simetrică care iese dintr-un strat de gheață. În schimb, cristalele de gheață din zăpadă au o formă complexă și, prin urmare, sunt mai puțin simetrice decât o picătură de apă. Culoarea violet indică materialul violet-bronz în care a fost descoperit acest fenomen. Credit: Universitatea din Bristol

O călătorie de 13 ani

Autorul principal Nigel Hussey, profesor de fizică la Universitatea din Universitatea din Bristol„Este o descoperire cu adevărat interesantă care ar putea oferi o cheie perfectă pentru viitoarele dispozitive cuantice”, a spus el.

„Călătoria fascinantă a început în urmă cu 13 ani în laboratorul meu, când doi doctoranzi, Xiaofeng Xu și Nick Wickham, au măsurat magnetorezistența – schimbarea rezistenței cauzată de un câmp magnetic – a bronzului violet.”

În absența unui câmp magnetic, rezistența bronzului violet era foarte dependentă de direcția în care pătrunde curentul electric. Dependența sa de temperatură era, de asemenea, complexă. La temperatura camerei, rezistivitatea este metalică, dar pe măsură ce temperatura scade, aceasta se inversează și materialul pare să se transforme într-un izolator. Apoi, la cele mai scăzute temperaturi, rezistența scade din nou pe măsură ce se transformă într-un supraconductor. În ciuda acestei complexități, magnetorezistenta este surprinzător de simplă. A fost în esență același, indiferent de direcția în care curentul sau câmpul a fost aliniat și a urmat o dependență liniară perfectă de temperatură, de la temperatura camerei până la temperatura de tranziție supraconductoare.

„Nu s-a putut găsi nicio explicație coerentă pentru acest comportament nedumerit, iar datele au rămas latente și nepublicate în următorii șapte ani. Un astfel de decalaj este neobișnuit în cercetarea cuantică, deși motivul pentru aceasta nu a fost lipsa de statistici”, profesorul Hussey. explicat.

„O astfel de simplitate în răspunsul magnetic dezminte întotdeauna o origine complexă și, după cum se dovedește, soluția sa potențială va apărea doar printr-o întâlnire întâmplătoare.”

O întâlnire întâmplătoare duce la o descoperire

În 2017, profesorul Hussey lucra la Universitatea Radboud și a văzut o reclamă pentru un seminar susținut de fizicianul Dr. Piotr Chudzinski pe tema bronzului violet. La acea vreme, puțini cercetători ar dedica un întreg simpozion acestei substanțe necunoscute, așa că interesul i-a fost stârnit.

Profesorul Hussey a spus: „La simpozion, Chudzinski a sugerat că rezistența ridicată ar putea fi cauzată de interferența dintre electronii de conducție și particulele compozite evazive cunoscute sub numele de „excitoni întunecați”. Am discutat după simpozion și am propus împreună un experiment pentru a-și testa teoria. măsurătorile ulterioare au confirmat în esență acest lucru.”

Datorită acestui succes, profesorul Hussey a reînviat datele de magnetorezistă ale lui Shaw și Wakeham și le-a prezentat dr. Chudzinski. Două caracteristici cheie ale datelor – liniaritatea cu temperatură și independența față de direcția și câmpul curentului – l-au intrigat pe Chudzinski, la fel ca și faptul că același material poate prezenta un comportament izolator și supraconductor, în funcție de modul în care crește materialul.

Dr. Chudzinski s-a întrebat dacă interacțiunea dintre purtătorii de sarcină și excitonii pe care i-a prezentat mai devreme, în loc să se transforme în întregime în izolație, ar putea face ca cei dintâi să graviteze spre limita dintre stările izolatoare și supraconductoare pe măsură ce temperatura scade. La aceleași limite, probabilitatea ca un sistem să fie izolator sau supraconductor este în esență aceeași.

Profesorul Hussey a spus: „O astfel de simetrie fizică este un caz neobișnuit și dezvoltarea unei astfel de simetrii într-un metal pe măsură ce temperatura scade, de unde termenul de „simetrie emergentă”, ar fi o premieră mondială.”

Fizicienii sunt bine familiarizați cu fenomenul de rupere a simetriei: scăderea simetriei unui sistem de electroni la răcire. Aranjamentul complex al moleculelor de apă într-un cristal de gheață este un exemplu al acestei simetrii rupte. Dar opusul este o apariție extrem de rară, dacă nu unică. Revenind la analogia apă/gheață, este ca și cum, după ce gheața este răcită în continuare, complexitatea cristalelor de gheață se „topește” înapoi în ceva consistent și neted ca o picătură de apă.

Simetria emergentă: un fenomen rar

Dr. Chudzinski, acum cercetător la Universitatea Queen’s din Belfast, a spus: „Imaginați-vă un truc magic în care o formă plictisitoare, distorsionată este transformată într-o sferă frumoasă, perfect simetrică. Aceasta, pe scurt, este esența simetriei emergente. Persoana din întrebarea este materialul nostru, bronzul violet, în timp ce magicianul nostru este natura însăși.” .

Pentru a testa în continuare dacă teoria conține apă, alte 100 de cristale individuale, unele izolante și altele supraconductoare, au fost examinate de un alt doctorand, Martin Berbin, care lucrează la Universitatea Radboud.

Profesorul Hussey a adăugat: „După eforturile titanice ale lui Martin, povestea este completă și devine clar motivul pentru care diferite cristale par să aibă stări fundamentale atât de diferite. Privind către viitor, ar putea fi posibil să exploatem această „noutate” pentru a crea comutatoare în circuite cuantice în care stimuli mici declanșează Modificări profunde, de mare magnitudine, ale rezistenței de comutare.

Referință: „Simetrie emergentă într-un supraconductor de dimensiuni joase pe marginea Mottness” de P. Chudzinski, M. Berben, Xiaofeng Xu, N. Wakeham, B. Bernáth, C. Duffy, R. D. H. Hinlopen, Yu-Te Hsu, S. Weidman, B. Tinnemans, Rongying Jin, M. Greenblatt, N. E. Hussey, 16 noiembrie 2023, Științe.
doi: 10.1126/science.abp8948