Forskere observerer spejllignende fysik i superleder-isolatorovergangen

Verden på den anden side af Alice i Eventyrlandets glas er ikke, hvad den ser ud til, men den spejllignende fysik i superleder-isolatorovergangen fungerer præcis som forventet.

Forskere ved, at dette er sandt efter observation af et bemærkelsesværdigt fænomen, hvis eksistens blev forudsagt for tre årtier siden, men det havde undladt eksperimentel opdagelse indtil nu. Observationen bekræfter, at grundlæggende kvantetilstande, superledning og superisolering, begge opstår i spejllignende billeder af hinanden, hvilket kan føre til udvikling af overfølsomme og energieffektive sensorer, detektorer og logiske kontakter til videnskab og kommunikation, hukommelseslagring og andre nye teknologier.

"Den adfærd, vi har demonstreret, er præcis den adfærd, der var forudsagt og forventet, "sagde Valerii Vinokur, en fremtrædende stipendiat i Materials Science -afdelingen i US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory.

Vinokur og hans kolleger observerede fænomenet, kaldte ladningen Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) -overgang, i en mikroskopisk tynd film af superledende niobiumtitanitrit. Charge BKT-overgangen er den spejllignende modstykke til vortex-BKT-overgangen, som forskere har observeret mange gange i superledende materialer. Vinokur og hans samarbejdspartnere ved California Institute of Technology og Novosibirsk University i Rusland offentliggjorde deres resultater online den 6. marts, 2018, i Videnskabelige rapporter .

"De eksperimenter, der blev udført af vores team, fastslår endegyldigt eksistensen af ​​den superisolerende tilstand og gyldigheden af ​​dens grundlæggende begreber, herunder det grundlæggende begreb om ladning-hvirvel-dualitet, "sagde Vinokur, som også er seniorstipendiat ved University of Chicago's Computation Institute. "De grundlæggende begreber bag vores viden om universet på sit dybeste niveau er baseret på begrebet dualitet."

Dualitetsbegrebet i fysik fastslår, at grundlæggende sæt fænomener tilsyneladende udelukker hinanden, men repræsenterer to sider af en mønt. Det mest kendte eksempel på dualitet er lysets bølge-partikel dualitet, der optræder i kvanteområdet. Superisolerende og superledende materialer, som er nøjagtige modsætninger, indse dualitet mellem elektriske og magnetiske effekter. I stedet for at transmittere elektrisk strøm uden tab af strøm, som superledere gør, superisolatorer lukker helt strømmen af ​​ladninger under en påført spænding. Det betyder, at spejlende superledere har uendelig konduktans, mens superisolatorer har uendelig modstand.

Det seneste fund bygger på arbejde udgivet i 2008 af Vinokur og hans medarbejdere, der eksperimentelt fastslog eksistensen af ​​den superisolerende tilstand, samtidig med at den foreslår, at den "spejler" den adfærd, der opstår i den superledende tilstand, udlede det fra det mest fundamentale kvantebegreb, usikkerhedsprincippet. Teoretiske fysikere ved CERN (det europæiske partikelfysiklaboratorium), universitetet i Genève og universitetet i Perugia - Cristina Diamantini, Carlo Trugenberger og Pascuale Sodano - havde forudsagt eksistensen af ​​denne overisolerende tilstand, dobbelt til superledning, i 1996. Men så uventet var opdagelsen af ​​den superisolerende tilstand, at Vinokurs team oprindeligt ikke var klar over forudsigelsen.

BKT-overgangen, der ligger til grund for superleder-isolator-dualiteten, er opkaldt efter afdøde Vadim Berezinskii, Michael Kosterlitz og David Thouless. Kosterlitz og Thouless samarbejdede i begyndelsen af ​​1970'erne for at udvikle deres teori om topologiske faseovergange, der er ganske ulige de faseovergange, der almindeligvis var kendt i den daglige fysikpraksis dengang.

Disse sædvanlige faseovergange manifesterer sig som en brat ændring i materiens tilstand, såsom issmeltning til vand, eller vand, der koger til damp, ved en kritisk temperatur. Topologiske faseovergange er snarere som at binde knuderne i et slips, imidlertid. "Du har en klar ændring i systemets egenskaber uden at foretage synlige materielle ændringer i slipsets egenskaber, "Sagde Vinokur.

Berezinskii havde uafhængigt udviklet lignende ideer, til sidst førte til talrige observationer af hvirvel -BKT -overgange i tusindvis af superledningsforsøg gennem årtierne. Imidlertid, indtil nu, forskere havde aldrig endegyldigt observeret den spejllignende afspejling af hvirvelens BKT-overgang-ladningen BKT-overgang-på den superisolerende side af superleder-isolatorovergangen.

Kosterlitz, Thouless og Duncan Haldane delte Nobelprisen i fysik 2016 for "teoretiske opdagelser af topologiske faseovergange og topologiske faser af stof, "efter at have udviklet de avancerede matematiske metoder, der er nødvendige for at forklare de faseovergange, der sker i usædvanlige materielle tilstande, herunder superledende materialer og tynde magnetiske film.

En fremtidig forskningsvej for Vinokur og hans kolleger vil være at hæve temperaturen, ved hvilken deres niobiumtitanitritforbindelse overgår til den superisolerende tilstand. Overgangstemperaturen er nu mellem 100 og 200 millikelvin, hvilket kun er en brøkdel af en grad over det absolutte nul (minus 459,6 grader Fahrenheit). Men at hæve overgangstemperaturen til 4 kelvin (minus 452,4 grader Fahrenheit) ville udgøre et teknologisk gennembrud.

"Det betyder, at vi kunne bruge disse materialer i rummet, fordi 4 kelvin er rumets temperatur, "Sagde Vinokur. Mulige rumapplikationer for sådanne superisolerende materialer omfatter overfølsomme detektorer til måling af elektromagnetisk stråling og andre fænomener, og kontakter til elektroniske enheder, såsom energibesparende dioder.