Oamenii de știință Awestruck urmăresc piscinele de electroni 2D care apar spontan în material supraconductor 3D

Oamenii de știință SLAC și Stanford au observat iazuri cu un comportament supraconductor 2D ieșind dintr-un supraconductor 3D neconvențional, care transmite electricitate cu o eficiență de 100% la temperaturi extrem de ridicate. Studiul lor sugerează că acest așa-numit comportament „de urgență” poate fi modul în care supraconductorii 3D se reorganizează cu puțin timp înainte de a trece imediat la o stare de izolare, unde electronii sunt limitați la atomii lor de acasă și nu se pot mișca. Credit: Greg Stewart / SLAC National Laboratory Accelerator

Este un exemplu al modului în care proprietățile surprinzătoare pot apărea spontan în materialele complexe – un fenomen pe care oamenii de știință speră să îl exploateze pentru noile tehnologii.

Crearea unui material bidimensional, doar câțiva atomi groși, este adesea un proces laborios care necesită echipamente sofisticate. Așa că oamenii de știință au fost surprinși când au apărut bălți 2D în interiorul unui supraconductor tridimensional – un material care permite electronilor să se deplaseze cu o eficiență de 100% și o rezistență zero – fără niciun stimul.

În aceste iazuri, electronii supraconductori acționează ca și cum ar fi închiși într-un plan incredibil de subțire, asemănător frunzei, situație care le cere să se mute într-un fel într-o altă dimensiune, unde se aplică diferite reguli ale fizicii cuantice.

„Acesta este un exemplu tentant de comportament de urgență, care este adesea dificil sau imposibil de replicat, încercând să-l reconstruiască de la zero”, a spus Harry Manoharan, profesor de la Universitatea Stanford și cercetător la Stanford Institute of Science. Of Materials and Energy (SIMES) la laboratorul național de accelerare SLAC al Departamentului Energiei, care a condus cercetarea.

„La fel cum se dă putere supraconductoare”, a spus el, „electronii 3D aleg să trăiască într-o lume 2D”.

Echipa de cercetare numește acest nou fenomen „superconductivitate transversală”, și într-un raport în Lucrările Academiei Naționale de Științe pe 12 aprilie 2021, ei sugerează că acesta este modul în care superconductorii 3D se reorganizează cu puțin timp înainte de a trece imediat la o stare de izolare, unde electronii sunt limitați la atomii lor de origine și nu se pot mișca deloc.

„Ceea ce am găsit a fost un sistem în care electronii se comportă în moduri neașteptate. Aceasta este frumusețea fizicii “, a declarat Carolina Parra, colegă postdoctorală la SLAC și Stanford la momentul studiului, care a efectuat experimentele care au condus la vizualizarea acestui rezultat interesant. „Am fost foarte norocoși să găsim acest comportament”.

Electronii acționează ciudat

Deși superconductivitatea a fost descoperită în urmă cu mai bine de un secol, utilitatea acesteia a fost limitată de faptul că materialele au devenit supraconductoare numai la temperaturi apropiate de cele din spațiul profund.

Anunțul din 1986 că oamenii de știință descoperiseră o nouă și neașteptată clasă de materiale supraconductoare care funcționează la temperaturi mult mai ridicate – deși încă foarte reci – a creat un tsunami de cercetare care continuă până în prezent, cu scopul de a înțelege cum funcționează materialele și de a dezvolta versiuni care funcționează la temperatura camerei cea mai apropiată pentru aplicații precum linii electrice perfect eficiente și trenuri maglev.

Acest studiu a început cu un supraconductor la temperaturi ridicate numit BPBO pentru cele patru componente atomice – bariu, plumb, bismut și oxigen. Wass a fost sintetizat în laboratorul profesorului Stanford și al investigatorului SIMES Ian Fisher de Paula Giraldo-Gallo, doctorandă la acea vreme.

Pe măsură ce cercetătorii au făcut teste de rutină, inclusiv determinarea temperaturii de tranziție la care se rotește între un supraconductor și o fază izolatoare – cum ar fi apa care se transformă în abur sau gheață – și-au dat seama că datele lor au arătat că electronii se comportă ca și cum ar fi închiși în linii ultra-subțiri, stratificate sau 2D în interiorul materialului. Aceasta a fost o enigmă, deoarece BPBO este un superconductor 3D ai cărui electroni sunt în mod normal liberi să se miște în orice direcție le place.

Intrigat, echipa Manoharan a aruncat o privire mai atentă asupra unui microscop de scanare prin tunel, sau STM – un instrument care poate identifica și chiar deplasa atomii individuali în mai multe straturi atomice majore ale unui material.

Iazuri interactive

Liniile, au descoperit, păreau că nu au nimic de-a face cu modul în care atomii materialului erau organizați sau cu mici umflături și scufundări pe suprafața acestuia.

“În schimb, benzile erau straturi în care electronii se comportă ca și cum ar fi închiși în zone 2D, ca niște bălți din material”, a spus Parra. „Distanța dintre iazuri este atât de scurtă încât electronii pot„ vedea ”și interacționa unul cu celălalt într-un mod care le permite să se miște fără rezistență, ceea ce este semnul distinctiv al supraconductivității.”

Carolina Parra

Carolina Parra (centru), care în calitate de post-doctorat din Stanford a efectuat experimentele care au condus la vizualizarea acestor rezultate interesante, conduce acum un laborator la Universitatea Tehnică Federico Santa María din Valparaiso, Chile, concentrându-se pe studiile interdisciplinare ale materialelor biologice la scară nanomarcantă. . Recent, ea a câștigat o subvenție pentru a primi și opera primul microscop de tunel cu scanare la temperatură scăzută din America de Sud, pe care intenționează să îl folosească pentru a continua această linie de cercetare. Credit: Fotografie de curtoazie a Carolinei Parra

Iazurile 2D au apărut pe măsură ce oamenii de știință au ajustat cu atenție temperatura și alte condiții spre punctul de tranziție în care supraconductorul ar deveni un izolator.

Observațiile lor se potrivesc îndeaproape cu teoria „particulei electronice de urgență” din superconductori, dezvoltată de Nandini Trivedi de la Universitatea de Stat din Ohio și colegii săi.

“Predicțiile pe care le făcusem erau contrare paradigmei standard pentru supraconductori”, a spus Trivedi. „De obicei, cu cât un superconductor este mai puternic, cu atât este necesară mai multă energie pentru a rupe legătura dintre perechile sale de supraconductori de electroni – un factor pe care îl numim decalajul de energie. Dar grupul meu prezisese că în acest tip special de superconductor dezordonat, se va întâmpla opusul: sistemul va forma bazine de urgență în care superconductivitatea era puternică, dar cuplurile se puteau rupe cu mult mai puțină energie decât se aștepta.

“A fost destul de incitant sa vedem ca aceste predictii erau confirmate de masuratorile STM de catre grupul Stanford!”

Diseminarea științei

Rezultatele au implicații practice pentru proiectarea materialelor 2D, a spus Parra.

„Majoritatea metodelor de fabricare a materialelor 2D sunt abordări tehnice, cum ar fi cultivarea de filme cu mai multe straturi atomice groase sau crearea unei interfețe ascuțite între două materiale și limitarea unei stări 2D acolo”, a spus ea. “Oferă o modalitate suplimentară de a intra în aceste stări supraconductoare 2D. Mai ieftin, nu aveți nevoie de dispozitive decorative care necesită temperaturi foarte scăzute și nu aveți nevoie de zile și săptămâni. Singura parte dificilă ar fi acuratețea compoziției. Materialit. “

Parra conduce acum un laborator la Universitatea Tehnică Federico Santa María din Valparaiso, Chile, concentrându-se pe studiile interdisciplinare ale materialelor biologice la scară nano. Recent, ea a câștigat o subvenție pentru a primi și opera primul microscop de tunel cu scanare la temperatură scăzută din America de Sud, pe care intenționează să îl folosească pentru a continua această linie de cercetare.

„Odată ce voi avea acest dispozitiv în laborator”, a spus ea, „îl voi conecta la toate lucrurile pe care le-am învățat în laboratorul lui Hari și îl voi folosi pentru a preda o nouă generație de cercetători care lucrează în nanostiințe și nanotehnologii în Chile”.

Referință: 12 aprilie 2021, Lucrările Academiei Naționale de Științe.
DOI: 10.1073 / pnas.201781011

Cercetarea a fost finanțată de DOE Science Office.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Zirconii antici datează începutul tectonicii plăcilor în urmă cu 3,6 miliarde de ani – un eveniment critic pentru a face pământul ospitalier pentru viață

Zirconii examinați de echipa de cercetare, fotografiați cu catodoluminiscență, tehnică cu care echipa a putut vizualiza interiorul cristalelor cu un microscop electronic cu scanare...

Putem face opioidele mai puțin dependente? [Video]

În 2017, milioane de oameni din întreaga lume erau dependenți de opioide și 115.000 au murit din cauza unui supradozaj. Opioidele sunt cele mai puternice...

Măsurile neconvenționale împotriva pandemiei și apărării nucleare pot proteja omenirea de catastrofe catastrofale

Lansarea mânerului SM-3 Block IB de la un crucișător cu rachete ghidate USS Lake Erie (CG 70). Credit: Marina SUA În curând viața pe...

Situl de legare a anticorpilor conservat în variantele de virus COVID-19 – impact mare pentru vaccinurile viitoare

O echipă de cercetare Penn State a descoperit că proteinele N din barza-covi-2 sunt stocate în toate coronavirusurile epidemice legate de îngrășăminte (sus, stânga:...

Mișcări ale electronilor de ceas în interiorul unui atom: viteza obturatorului de o milionime dintr-o miliardime de secundă

Reprezentarea artistică a experimentului. Întârzierea inerentă între emisia celor două tipuri de electroni duce la o elipsă caracteristică în datele analizate. În...

Newsletter

Subscribe to stay updated.