Purple Bronze Discovery presenterar den “perfekta switchen” för framtida teknik

By | November 23, 2023

Kvantforskare har upptäckt ett fenomen i lila brons, en endimensionell metall, som gör att den kan växla mellan isolerande och supraledande tillstånd. Denna förändring, orsakad av minimala stimuli som värme eller ljus, beror på “emergent symmetri”. Detta banbrytande fynd, utlöst av forskning om metallmagnetresistens, kan leda till utvecklingen av perfekta strömbrytare i kvantenheter, en potentiell milstolpe inom kvantteknologi.

Kvantforskare har upptäckt ett fenomen i lila brons som kan vara nyckeln till utvecklingen av en “perfekt switch” i kvantenheter som växlar mellan att vara 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.

Representation av framväxande symmetri

Bilden visar en representation av emergent symmetri, som visar en perfekt symmetrisk vattendroppe som dyker upp från ett lager av snö. Iskristaller i snö har å andra sidan en komplex form och därför mindre symmetri än en vattendroppe. Färgen violett betecknar det violetta bronsmaterial där detta fenomen upptäcktes. Kredit: University of Bristol

En 13 år lång resa

Huvudförfattare Nigel Hussey, professor i fysik vid

“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 vilken riktning strömmen eller fältet riktades in och följde ett perfekt linjärt temperaturberoende från rumstemperatur till den supraledande övergångstemperaturen.

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

Ett tillfälligt möte leder till ett genombrott

2017 arbetade professor Hussey vid Radboud University och såg ett seminarium som tillkännagavs av fysikern Dr. Piotr Chudzinski på ämnet lila 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 den resistiva ökningen kan orsakas av interferens mellan ledningselektroner och svårfångade kompositpartiklar som kallas “mörka excitoner”. Vi pratade efter seminariet och föreslog tillsammans ett experiment för att testa hans teori. Våra efterföljande mätningar bekräftade detta i huvudsak.”

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 själva materialet kunde uppvisa både isolerande och supraledande beteende beroende på hur det odlades.

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.

Emergent symmetri: ett sällsynt fenomen

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 är, i ett nötskal, kärnan i emergent symmetri. Figuren i fråga är vårt material, lila brons, medan vår magiker är naturen själv.”

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

Professor Hussey tillade: “Efter Maartens herkuliska ansträngning var historien komplett och anledningen till att olika kristaller uppvisade så olika grundtillstånd blev tydlig. “När man ser framåt kan det vara möjligt att utnyttja denna “jitteriness” för att skapa switchar i kvantkretsar där små stimuli inducerar djupgående förändringar i omkopplarens motstånd.”

Referens: “Emergent symmetry in a low-dimensional supraconductor at the Mottness edge” av P. Chudzinski, M. Berben, Xiaofeng Xu, N. Wakeham, B. Bernáth, C. Duffy, RDH Hinlopen, Yu-Te Hsu, S Wiedmann , P. Tinnemans, Rongying Jin, M. Greenblatt och NE Hussey, 16 november 2023. Vetenskap.
DOI: 10.1126/ciencia.abp8948

Leave a Reply

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