Universitatea Harvard dezvăluie o abordare inovatoare a supraconductorilor de înaltă temperatură

Metoda de fabricație poate facilita detectarea materialului.

• Echipa Harvard condusă de Philip Kim creează supraconductori de înaltă temperatură folosind cupru.
• A dezvoltat prima diodă supraconductoare avansată din lume Statistici cantitative.
• Demonstrați supracurent direcțional și controlul stărilor cuantice la BSCCO.

Supraconductorii i-au intrigat pe fizicieni de zeci de ani. Dar aceste materiale, care permit fluxului de electroni să curgă perfect și fără pierderi, prezintă de obicei această particularitate a mecanicii cuantice doar la temperaturi foarte scăzute – cu câteva grade mai mari. Zero absolut – Ca să fie nepractic.

O echipă de cercetare condusă de profesorul de fizică și fizică aplicată de la Harvard, Philip Kim, a demonstrat o nouă strategie pentru fabricarea și manipularea unei clase larg studiate de supraconductori de temperatură înaltă, numite cuprați, deschizând calea pentru inginerie de forme noi și neobișnuite de supraconductivitate în locuri niciodată. înainte.Nu a fost posibil să se realizeze înainte. Material.

Folosind o metodă unică de a fabrica dispozitive cu temperatură scăzută, Kim și echipa sa și-au scris raportul în jurnal Științe Un candidat promițător pentru prima diodă supraconductoare de înaltă temperatură din lume – în esență un comutator care face curentul să curgă într-o singură direcție – este format din cristale subțiri de cupru. În teorie, un astfel de dispozitiv ar putea alimenta industriile emergente, cum ar fi calculul cuantic, care se bazează pe fenomene mecanice tranzitorii care sunt greu de întreținut.

Reprezentare grafică a unui supraconductor de cupru răsucit și stivuit, cu date de fundal însoțitoare. Fotografii: Lucy Yip, Yoshi Saito, Alex Cui, Frank Chow

„Diodele supraconductoare de înaltă temperatură sunt de fapt posibile, fără aplicarea câmpurilor magnetice, și deschid noi porți de cercetare în studiul materialelor exotice”, a spus Kim.

Cuprații sunt oxizi de cupru care au dat peste cap lumea fizicii cu zeci de ani în urmă, arătând că devin supraconductori la temperaturi mult mai ridicate decât credeau teoreticienii, iar „mai mare” este un termen relativ (recordul actual pentru un supraconductor de cupru este de -225). . F). Dar manipularea acestor materiale fără a le distruge fazele supraconductoare este foarte complexă datorită proprietăților lor electronice și structurale complexe.

Experimentele echipei SY au fost conduse de Frank Zhao, un fost student la Griffin Graduate School of Arts and Sciences și acum cercetător postdoctoral la Griffin. Institutul de tehnologie din Massachusetts. Folosind o metodă de procesare a cristalelor criogenice fără aer în argon de înaltă puritate, Zhao a proiectat o interfață curată între două straturi extrem de subțiri de cupru, calciu, bismut și oxid de stronțiu, poreclit BSCCO („bisco”). BSCCO este considerat un supraconductor „de temperatură înaltă” deoarece începe să supraconducă la aproximativ 288 de grade Fahrenheit – foarte rece după standardele practice, dar surprinzător de ridicat printre supraconductori, care de obicei trebuie răcit la aproximativ -400 de grade Fahrenheit.

Zhao a împărțit mai întâi BSCCO în două straturi, fiecare cu o miime din lățimea unui păr uman. Apoi, la -130 de grade, a stivuit cele două straturi la un unghi de 45 de grade, ca un sandviș cu înghețată cu chipsurile nealiniate, păstrând în același timp supraconductibilitatea la interfața fragilă.

Echipa a descoperit că supracurent maxim care poate trece fără rezistență prin interfață variază în funcție de direcția curentului. În mod esențial, echipa a demonstrat, de asemenea, controlul electronic al stării cuantice interfațale prin inversarea acestei polarități. Acest control le-a permis de fapt să realizeze o diodă supraconductoare comutabilă la temperatură ridicată, o demonstrație a fizicii fundamentale care ar putea fi într-o zi încorporată într-o tehnologie de calcul, cum ar fi un bit cuantic.

„Acesta este un punct de plecare în studierea fazelor topologice, care sunt caracterizate de stări cuantice protejate de defecte”, a spus Zhao.

Referință: „Time Reversal Symmetry Breaking Superconductivity Between Twisted Copper Superconductors” de SY Frank Zhao, Xiaomeng Cui, Pavel A. Volkov, Hyobin Yoo, Sangmin Lee, Jules A. Gardener, Austin J. Akey, Rebecca Engelke, Yuval Ronen, Ruidan Chung , Jinda Guo, Stefan Plug, Taron Tomorrow, Myung Kim, Marcel Franz, Jedediah H. Pixley, Nicola Buccia și Philip Kim, 7 decembrie 2023, Științe.
doi: 10.1126/science.abl8371

Echipa Harvard a lucrat cu colegii Marcel Franz de la Universitatea din Columbia Britanică și Jed Pixley de la Universitatea Rutgers, a căror echipă a efectuat anterior calcule teoretice riguroase. Și se aștepta Comportarea supraconductorului de cupru în A Gamă largă Din unghiuri de torsiune. Reconcilierea observațiilor experimentale necesită, de asemenea, noi dezvoltări teoretice, întreprinse de Pavel A. Volkov de la Universitatea din Connecticut.

Cercetarea a fost susținută parțial de Fundația Națională pentru Știință, Departamentul de Apărare și Departamentul de Energie.