Forskning visar att sällsynt metall kan erbjuda revolutionerande switchar för framtida kvantenheter

By | November 22, 2023

Den här artikeln har granskats i enlighet med Science X:s redaktionella process och policys. Redaktörerna har lyft fram följande attribut samtidigt som de säkerställer innehållets trovärdighet:

verifierad

peer reviewed publikation

pålitlig källa

korrekt


Kredit: CC0 Public domain

× nära


Kredit: CC0 Public domain

Kvantforskare har upptäckt ett sällsynt fenomen som kan vara nyckeln till att skapa en “perfekt switch” i kvantenheter som växlar mellan en isolator och en supraledare.

Forskningen, ledd av University of Bristol och publicerad i Vetenskapupptäckte att dessa två motsatta elektroniska tillstånd existerar inom lila brons, en unik endimensionell metall som består av kedjor av individuella ledande atomer.

Små förändringar i materialet, till exempel orsakade av en liten stimulans som värme eller ljus, kan utlösa en momentan övergång från ett isolerande tillstånd med noll konduktivitet till en supraledare med obegränsad konduktivitet och vice versa. Denna polariserade mångsidighet, känd som “emergent symmetri”, har potential att erbjuda en idealisk på/av-brytare i framtida kvantteknologisk utveckling.

Huvudförfattaren Nigel Hussey, professor i fysik vid University of Bristol, sa: “Detta är en riktigt spännande upptäckt som kan ge en perfekt spelväxlare för morgondagens kvantenheter.

“Denna anmärkningsvärda resa började för 13 år sedan i mitt laboratorium när två doktorander, Xiaofeng Xu och Nick Wakeham, mätte magnetoresistansen (förändringen i motstånd som orsakas av ett magnetfält) hos lila brons.”

I frånvaro av ett magnetfält berodde motståndet hos violett brons till stor del på i vilken riktning den elektriska strömmen infördes. Dess temperaturberoende var också ganska komplicerat. Runt rumstemperatur är motståndet metalliskt, men när temperaturen sjunker vänder detta och materialet ser ut att bli en isolator. Sedan, vid lägre temperaturer, sjunker motståndet igen när det blir en supraledare.

Trots denna komplexitet visade sig magnetoresistans överraskande nog vara extremt enkel. Det var i huvudsak densamma oavsett i vilken riktning strömmen eller fältet var inriktat och följde ett perfekt linjärt temperaturberoende från rumstemperatur till den supraledande övergångstemperaturen.

“Utan någon sammanhängande förklaring hittades för detta förbryllande beteende, förblev data vilande och opublicerade under de kommande sju åren. En paus som denna är ovanlig inom kvantforskning, även om orsaken inte var brist på statistik”, förklarade han. Professor Hussey.

“En sådan enkelhet i det magnetiska svaret motsäger alltid ett komplext ursprung och det visar sig att dess möjliga upplösning endast skulle ske genom ett slumpmässigt möte.”

2017 arbetade professor Hussey vid Radboud University och såg ett seminarium som tillkännagavs av fysikern Dr. Piotr Chudzinski om ämnet violett brons. På den tiden var det få forskare som ägnade ett helt seminarium åt detta föga kända material, så hans intresse väcktes.

Professor Hussey sa: “På seminariet föreslog Chudzinski att resistiv ökning kan orsakas av interferens mellan ledningselektroner och svårfångade sammansatta partiklar som kallas mörka excitoner. Vi chattade efter seminariet och föreslog tillsammans ett experiment för att testa hans teori. “Våra efterföljande mätningar har i huvudsak bekräftat detta.”

Uppmuntrad av denna framgång återuppväckte professor Hussey Xu och Wakehams magnetresistensdata och visade dem för Dr Chudzinski. De två centrala egenskaperna hos datan (linjäritet med temperatur och oberoende av ström- och fältorientering) fascinerade Chudzinski, liksom det faktum att materialet i sig kunde uppvisa både isolerande och supraledande beteende beroende på hur materialet växte.

Dr Chudzinski undrade om, istället för att helt förvandlas till en isolator, interaktionen mellan laddningsbärarna och excitonerna som han hade introducerat tidigare kunde få de förra att dras mot gränsen mellan de isolerande och supraledande tillstånden när den sjunker. Vid själva gränsen är sannolikheten att systemet är en isolator eller en supraledare i huvudsak densamma.

Professor Hussey sa: “Denna fysiska symmetri är en ovanlig situation och att utveckla sådan symmetri i en metall när temperaturen sjunker, därav termen “emergent symmetri”, skulle utgöra en världsnyhet.”

Fysiker är väl medvetna om fenomenet symmetribrott: att minska symmetrin hos ett elektronsystem när det svalnar. Det komplexa arrangemanget av vattenmolekyler i en iskristall är ett exempel på sådan bruten symmetri. Men motsatsen är en extremt sällsynt, om inte unik, händelse. Om vi ​​går tillbaka till vatten/is-analogin så är det som att genom att kyla isen ytterligare så “smälter” iskristallernas komplexitet återigen till något lika symmetriskt och jämnt som en vattendroppe.

Dr Chudzinski, nu forskare vid Queen’s University Belfast, sa: “Föreställ dig ett magiskt trick där en tråkig, förvrängd figur förvandlas till en vacker, perfekt symmetrisk sfär. Detta, i ett nötskal, är kärnan i magi. framväxande symmetri. Figuren i fråga är vårt material, lila brons, medan vår magiker är naturen själv.

För att ytterligare testa om teorin var giltig tog ytterligare en Ph.D. undersökte ytterligare 100 enkristaller, några isolatorer och några supraledare. student, Maarten Berben, som arbetar vid Radboud University.

Professor Hussey tillade: “Efter Maartens häftiga ansträngning var berättelsen komplett och anledningen till att olika kristaller uppvisade så olika grundtillstånd blev uppenbar. När man ser framåt kan det vara möjligt att utnyttja detta “jitter” för att skapa switchar. “i kvantkretsar av vilka små stimuli inducerar djupgående förändringar i omkopplarmotstånd i storleksordningar.”

Mer information:
P. Chudzinski et al, Emerging symmetri in a low-dimensional supraconductor at the Mottness edge, Vetenskap (2023). DOI: 10.1126/ciencia.abp8948

Tidningsinformation:
Vetenskap

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *