Små magnetiske rystelser låser op for eksotisk superledning

Dybt inde i faste stoffer, enkelte elektroner lyner rundt på en nanoskala motorvej belagt med atomer. For det meste, disse elektroner undgår hinanden, holdt i separate baner ved deres gensidige frastødning. Men vibrationer i atomvejen kan sløre deres baner og nogle gange tillade de små partikler at parre sig. Resultatet er en jævn og tabsfri rejse, og det er en måde at skabe superledning på.

Men der er andre, mindre almindelige måder at opnå denne effekt på. Forskere fra University of Maryland (UMD), University of California, Irvine (UCI) og Fudan University har nu vist, at små magnetiske rystelser fører til superledning i et materiale fremstillet af metalliske nanolag. Og, udover det, de resulterende elektronpar knuser en grundlæggende symmetri mellem fortid og fremtid. Selvom materialet er en kendt superleder, disse forskere leverer en teoretisk model og måling, hvilken, for første gang, afslører utvetydigt materialets eksotiske natur.

I kvantematerialer, at bryde symmetrien mellem fortid og fremtid betyder ofte ukonventionelle faser af stof. Nikkel-vismut (Ni-Bi) -prøven, der er undersøgt her, er det første eksempel på et 2-D-materiale, hvor denne type superledning er iboende, hvilket betyder, at det sker uden hjælp fra eksterne agenter, såsom en nærliggende superleder. Disse fund, for nylig udgivet i Videnskab fremskridt , gøre Ni-Bi til et tiltalende valg til brug i fremtidige kvantecomputere. Denne forskning kan også hjælpe forskere i deres søgen efter andre lignende mærkelige superledere.

Mehdi Kargarian, en postdoktor ved UMD og medforfatter af papiret, forklarer, at selv efter et århundredes undersøgelse, superledning er fortsat et levende forskningsområde. "Det er et ret gammelt problem, så det er overraskende, at folk stadig opdager typer af superledning i laboratoriet, der er uden fortilfælde, "Kargarian siger, tilføjer, at der typisk er to spørgsmål, forskere stiller til en ny superleder. "Først, vi ønsker at forstå den underliggende elektronparring - hvad der forårsager superledningen, "siger han." Den anden ting, relateret til applikationer, er at se, om superledning er mulig ved højere temperaturer. "

Superledere, især de eksotiske typer, forbliver stort set lænket til uhåndterligt kryogent udstyr. Forskere leder efter måder at skubbe superledende temperaturer højere på, hvilket gør disse materialer lettere at bruge til ting som forbedret elektricitetsdistribution og opbygning af kvanteenheder. I denne nye forskning, holdet tackler Kargarians første spørgsmål, og materialet antyder et positivt udsyn til det andet spørgsmål. Dens eksotiske superledning, selvom den stadig er kryogen, forekommer ved en højere temperatur i forhold til andre lignende systemer.

Ni-Bi-superledning blev først observeret i begyndelsen af ​​1990'erne. Men senere, da forskere fra Fudan University offentliggjorde undersøgelser af et ultrarent, ultratynd prøve, de lagde mærke til noget usædvanligt, der skete.

Mærkligheden starter med selve superledningen. Bismut alene er ikke en superleder, undtagen under ekstraordinært lave temperaturer og højt tryk - forhold, der ikke er lette at opnå. Nikkel er magnetisk og ikke en superleder. Faktisk, stærke magneter er kendt for at undertrykke effekten. Dette betyder, at for meget nikkel ødelægger superledningen, men en lille mængde fremkalder det.

UMD -teoretikere foreslog, at udsving i nikkels magnetisme er kernen i denne særegne effekt. Disse små magnetiske rystelser hjælper elektroner med at danne par, dermed udføre arbejdet udført af vibrationer i konventionelle superledere. Hvis der er for meget nikkel, magnetismen dominerer, og effekten af ​​udsvingene formindskes. Hvis der er for meget vismut, derefter den øverste overflade, hvor superledning finder sted, er for langt væk fra kilden til magnetiske udsving.

Guldlåszonen opstår, når der dyrkes et tyve nanometer tykt vismutlag oven på to nanometer nikkel. For denne lagkombination, superledelse sker omkring 4 grader over det absolutte nul. Selvom det er omtrent lige så koldt som dybt rum, det er faktisk ret labvenligt og tilgængeligt ved hjælp af standard kryogent udstyr.

Ideen om, at magnetiske udsving kan fremme supraledelse, er ikke ny og går tilbage til slutningen af ​​det 20. århundrede. Imidlertid, de fleste tidligere eksempler på sådan adfærd kræver strenge driftsbetingelser, såsom højt tryk. Forskerne forklarer, at Ni-Bi er anderledes, fordi ligetil afkøling er nok til at opnå denne form for eksotisk superledning, som bryder tidssymmetri.

Forskerne anvendte et meget tilpasset apparat til at søge efter tegn på den brudte symmetri. Lys bør rotere, når det reflekteres fra prøver, der har denne egenskab. For Ni-Bi, den forventede mængde lysrotation er snesevis af nanoradianere, hvilket er omkring 100 milliarder af et kryds på et urskive. Jing Xia, medforfatter af papiret og professor ved UCI, har en af ​​de eneste enheder i verden, der er i stand til at måle en så umærkelig lysrotation.

For at måle denne rotation for Ni-Bi, lysbølger injiceres først i den ene ende af en enkelt speciel optisk fiber. De to bølger bevæger sig gennem fiberen, som på uafhængige veje. De ramte prøven og sporer derefter deres stier. Ved hjemkomst, bølgerne kombineres og danner et mønster. Lysbølgernes rotation - fra, sige, symmetri bryder - vises i det analyserede mønster som små oversættelser. Xia og hans kolleger på UCI målte omkring 100 nanoradianer af rotation, bekræfter den brudte symmetri. Vigtigere, effekten viste sig, ligesom Ni-Bi-prøven blev en superleder, tyder på, at den brudte tidssymmetri og udseendet af superledning er stærkt forbundet.

Denne form for superledning er sjælden, og forskere siger, at der stadig ikke er nogen opskrift på, hvordan det kan ske. Men, som Xia påpeger, der er vejledning i matematikken bag elektronadfærden. "Vi ved matematisk, hvordan man får elektronpar til at bryde symmetri med tids-reversering, "Siger Xia. Praktisk talt, hvordan opnår du dette formelt? Det er millionspørgsmålet. Men mit instinkt er, at når du får magnetisk udsving-medieret superledning, som i dette materiale, så er det meget sandsynligt, at du får brud på den symmetri. "