Fysikere afdækker, hvorfor nanomaterialer mister superledning

Kampen for at holde drikkevarer kolde om sommeren er en lektion i klassiske faseovergange. For at studere faseovergange, påføre varme til et stof og se, hvordan dets egenskaber ændres. Tilsæt varme til vand og på det såkaldte "kritiske punkt, "se når det omdannes til en gas (damp). Fjern varme fra vand og se det blive til et fast stof (is).

Nu, forestil dig, at du har afkølet alt til meget lave temperaturer - så lavt, at alle termiske effekter forsvinder. Velkommen til kvanteområdet, hvor tryk og magnetfelter får nye faser til at opstå i et fænomen kaldet kvantefasetransitioner (QPT). Mere end en simpel overgang fra en fase til en anden, QPT danner helt nye ejendomme, såsom superledning, i visse materialer.

Påfør spænding på et superledende metal, og elektronerne bevæger sig gennem materialet uden modstand; elektrisk strøm vil flyde for evigt uden at bremse eller producere varme. Nogle metaller bliver superledende ved høje temperaturer, som har vigtige applikationer inden for elektrisk kraftoverførsel og superlederbaseret databehandling. Forskere opdagede fænomenet for 30 år siden, men mekanismen for superledelse er stadig en gåde, fordi størstedelen af ​​materialer er for komplekse til at forstå QPT -fysik i detaljer. En god strategi ville først være at se på mindre komplicerede modelsystemer.

Nu, Fysikere og samarbejdspartnere fra University of Utah har opdaget, at superledende nanotråde fremstillet af MoGe -legering undergår kvantefaseovergange fra en superledende til en normal metaltilstand, når de placeres i et stigende magnetfelt ved lave temperaturer. Undersøgelsen er den første til at afdække den mikroskopiske proces, hvormed materialet mister sin superledning; magnetfeltet adskiller par elektroner, kaldet Cooper -par, som interagerer med andre Cooper -par og oplever en dæmpningskraft fra uparrede elektroner til stede i systemet.

Resultaterne forklares fuldt ud af den kritiske teori foreslået af medforfatter Adrian Del Maestro, lektor ved University of Vermont. Teorien beskrev korrekt hvordan udviklingen af ​​superledningsevne afhænger af kritisk temperatur, magnetfeltets størrelse og orientering, nanotråds tværsnitsareal, og de mikroskopiske egenskaber ved nanotrådsmaterialet. Dette er første gang inden for superledelse, at alle detaljer om QPT forudsagt af en teori blev bekræftet på virkelige objekter i laboratoriet.

"Kvantfasetransitioner kan lyde virkelig eksotiske, men de observeres i mange systemer, fra stjernernes centrum til atomkernen, og fra magneter til isolatorer, "sagde Andrey Rogachev, lektor ved U og seniorforfatter af undersøgelsen. "Ved at forstå kvanteudsving i dette enklere system, vi kan tale om alle detaljer i den mikroskopiske proces og anvende den på mere komplicerede objekter. "

Undersøgelsen blev offentliggjort online den 9. juli 2018 i Naturfysik .

Teoretisk møder eksperimentelt

Fysikere af kondenseret materiale undersøger, hvad der sker med materialer med al deres varme fjernet på to måder - eksperimentelle fysikere udvikler materialer til test i et laboratorium, mens teoretiske fysikere udvikler matematiske ligninger for at forstå den fysiske adfærd. Denne forskning fortæller historien om, hvordan teori og eksperimentel informerede og motiverede hinanden.

Som postdoktor, Rogachev viste, at anvendelse af magnetfelter til nanotråde ved lave temperaturer forvrænger superledning. Han forstod virkningerne ved begrænsede temperaturer, men kom ikke frem til, hvad der sker på det "kritiske punkt", hvor superledelse falder. Hans arbejde, imidlertid, inspirerede den unge teoretiske fysiker Adrian Del Maestro, en kandidatstuderende på Harvard dengang, at udvikle en komplet kritisk teori om kvantefaseovergangen.

I Del Maestros "pair breaking" -teori, Det er usandsynligt, at enkelte elektroner støder ind i kanterne af den mindste tråd, da selv en enkelt atomstreng er stor i forhold til størrelsen på en elektron. Men, sagde Del Maestro, "to elektroner, der danner parene, der er ansvarlige for superledning, kan være langt fra hinanden, og nu gør nanoskalaens størrelse det mere vanskeligt for dem at rejse sammen." Tilføj derefter et kraftigt magnetfelt, som adskiller par ved at krumme deres veje, og "elektronerne er ude af stand til at sammensværge for at danne den superledende tilstand, "sagde Del Maestro.

"Forestil dig, at trådens kanter og magnetfeltet virker som en friktionskraft, der får elektroner til ikke at ville parre sig så meget, "sagde Del Maestro." At fysikken skulle være universel. "Hvilket er præcis hvad hans teori og det nye eksperiment viser.

"Kun et par nøgleingredienser - rumlig dimension og eksistensen af ​​superledningsevne - er afgørende for beskrivelsen af ​​elektroners fremkomne egenskaber ved kvantefasetransitioner, "sagde han. Den fantastiske overensstemmelse mellem konduktivitetsværdierne Del Maestros teori forudsagde for over ti år siden og værdierne målt i det nye eksperiment sætter en stærk standard for" den eksperimentelle bekræftelse af kvanteuniversalitet, "Del Maestro sagde, "og understreger betydningen af ​​grundlæggende fysikforskning."

Topmoderne nanotråde

For at teste Del Maestros teori, Rogachev havde brug for næsten endimensionelle nanotråde, med diametre mindre end 20-30 nanometer.

"I teoretisk fysik, endimensionelle systemer spiller en helt særlig rolle, da der for dem kan udvikles en nøjagtig teori "sagde Rogachev." Alligevel er endimensionelle systemer notorisk vanskelige at håndtere eksperimentelt. "

MoGe nanotråde er det afgørende element i hele undersøgelsen. I sine postdoktorer, Rogachev kunne kun lave sådanne ledninger 100 nanometer lange, for kort til at teste det kritiske regime. År senere i U, han og hans daværende elev Hyunjeong Kim, hovedforfatter af undersøgelsen, forbedret en eksisterende metode til elektronstråle litografi til at udvikle en topmoderne teknik.

90 procent af fysikerne skaber nanostrukturer ved hjælp af en metode kaldet positiv elektronstråle (e-stråle) litografi. De lyser en stråle af elektroner på en elektronfølsom film, fjern derefter den eksponerede del af filmen for at skabe nødvendige strukturer. Langt færre fysikere bruger negativ e-beam litografi, hvor de tegner deres struktur med e-strålen, men fjerner al den ueksponerede film. Dette er den metode, Kim købte til den nyeste teknik, fremstilling af tynde nanotråde med bredder under 10 nm.

"Det er ikke kun det, vi laver dem, men vi kan måle dem "sagde Rogachev." Mange mennesker laver virkelig små partikler, men for virkelig at kunne se på transport på disse ledninger, det var som at udvikle en ny teknik. "

For at teste kvantefasetransitionerne, Rogachev bragte ledningerne til Benjamin Sacépé og Frédéric Gay på Institut Néel i Grenoble, hvor deres anlæg er i stand til at afkøle materialet til 50 milliKelvin, anvendelse af magnetfelt med forskellige styrker og måling af ledningernes modstand for at beskrive, hvordan superledningen nedbrydes. De franske samarbejdspartnere tilføjede gruppen års ekspertise inden for præcis transportmåling, støjafvisningsteknikker og kvantefysik i todimensionale superledere.

"Efter årtiers intensiv forskning, vi er stadig langt fra fuldt ud at forstå superledning “siger Tomasz Durakiewicz, programdirektør for kondenseret fysik ved National Science Foundation, som medfinansierer dette arbejde. "Disse resultater fremmer feltet markant ved tæt at forbinde det håndgribelige, fysiske univers af nanotråde og de feltdrevne faseovergange, der sker i kvanteskalaen. Ved at slå teori og eksperiment sammen, teamet var i stand til at forklare det komplekse forhold mellem ledningsevne og geometri, magnetfelter og kritisk temperatur, alt imens man foreslår en teori om kvantekritikalitet, der er i god overensstemmelse med eksperimentelle observationer. "

At bringe det til højere temperaturer

Rogachev forbereder sig nu på at teste nanotråde lavet af cuprates. Cuprater har en kvantefaseovergang mellem en magnetisk tilstand og en normal tilstand, På det kritiske punkt, der er kvanteudsving, der ifølge flere teorier, fremme fremkomsten af ​​superledning. Cupraterne kaldes ofte superledere ved høj temperatur, fordi de går til superledende tilstand ved den rekordhøje temperatur på 90-155 K, en kontrast til den temmelig lille kritiske temperatur i MoGe-legeringer ved 3-7 K. Rogachev ønsker at lave ledninger ud af kopper for at forstå den mikroskopiske mekanisme ved høj temperatur superledning.

En anden vej, han vil udforske med sine samarbejdspartnere i Grenoble, er kvantefaseovergang i superledende film.

"Nu har vi dette bestemte stykke fysik udarbejdet, vi kan flytte til mere komplicerede objekter, hvor vi dybest set ikke ved præcis, hvad der foregår, " han sagde.