Bekræftelse af gammel teori fører til nyt gennembrud inden for superledervidenskab

Faseovergange opstår, når et stof skifter fra et fast stof, flydende eller gasformig tilstand til en anden tilstand - f.eks. issmeltning eller dampkondensering. Under disse faseovergange, der er et punkt, hvor systemet kan vise egenskaber for begge materiestater samtidigt. En lignende effekt opstår, når normale metaller overgår til superledere - egenskaber svinger, og egenskaber, der forventes at tilhøre den ene tilstand, overføres til den anden.

Forskere ved Harvard har udviklet en vismutbaseret, todimensionel superleder, der kun er en nanometer tyk. Ved at studere udsving i dette ultratynde materiale, når det overgår til superledning, forskerne fik indsigt i de processer, der driver superledelse mere generelt. Fordi de kan bære elektriske strømme med næsten nul modstand, efterhånden som de forbedres, superledende materialer vil have applikationer i stort set enhver teknologi, der bruger elektricitet.

Harvard-forskerne brugte den nye teknologi til eksperimentelt at bekræfte en 23-årig teori om superledere udviklet af videnskabsmand Valerii Vinokur fra det amerikanske energiministerium (DOE) Argonne National Laboratory.

Et fænomen, der interesserer forskere, er den fuldstændige vending af den velstuderede Hall-effekt, når materialer overgår til superledere. Når en normal, ikke-superledende materiale bærer en påført strøm og udsættes for et magnetfelt, der induceres en spænding på tværs af materialet. Denne normale Hall -effekt har spændingen pegende i en bestemt retning afhængigt af feltets og strømens orientering.

Interessant nok, når materialer bliver superledere, tegnet på Hall -spændingen vender. Den "positive" ende af materialet bliver den "negative". Dette er et velkendt fænomen. Men mens Hall -effekten længe har været et vigtigt værktøj, som forskere bruger til at studere de typer elektroniske egenskaber, der gør et materiale til en god superleder, årsagen til denne omvendte Hall -effekt er forblevet mystisk for forskere i årtier, især med hensyn til høj temperatur superledere, for hvilke effekten er stærkere.

I 1996, teoretiker Vinokur, en fremtrædende kollega i Argonne, og hans kolleger præsenterede en omfattende beskrivelse af denne effekt (og mere) i superledere ved høj temperatur. Teorien tog hensyn til alle de involverede drivkræfter, og det inkluderede så mange variabler, at det eksperimentelt syntes at være urealistisk at teste det - indtil nu.

"Vi troede, at vi virkelig havde løst disse problemer, "sagde Vinokur, "men formlerne føltes ubrugelige dengang, fordi de indeholdt mange parametre, der var vanskelige at sammenligne med eksperimenter ved hjælp af den teknologi, der eksisterede dengang. "

Forskere vidste, at den omvendte Hall -effekt skyldes magnetiske hvirvler, der dukker op i det superledende materiale placeret i magnetfeltet. Hvirvler er unikke punkter i væsken af ​​superledende elektroner - Cooper -par - omkring hvilke Cooper -par flyder, skaber cirkulerende superledende mikrostrømme, der bringer nye funktioner i fysikken af ​​Hall-effekten i materialet.

Normalt, fordeling af elektroner i materialet forårsager Hall -spændingen, men i superledere, hvirvler bevæger sig under den anvendte strøm, som skaber elektroniske trykforskelle, der matematisk ligner dem, der holder et fly på flugt. Disse trykforskelle ændrer forløbet for den påførte strøm, ligesom vingerne på et fly ændrer luftens forløb, opløftning af flyet. Virvelbevægelsen omfordeler elektroner forskelligt, ændre retningen af ​​Hall -spændingen til det modsatte af den sædvanlige rent elektroniske Hall -spænding.

Teorien fra 1996 beskrev kvantitativt virkningerne af disse hvirvler, som kun var blevet kvalitativt forstået. Nu, med et nyt materiale, der tog Harvard -forskere fem år at udvikle, teorien blev testet og bekræftet.

Det vismutbaserede tynde materiale er praktisk talt kun et atomlag tykt, gør det i det væsentlige todimensionalt. Det er det eneste af sin slags, en tyndfilm høj temperatur superleder; produktion af materialet alene er et teknologisk gennembrud inden for superledervidenskab.

"Ved at reducere dimensionerne fra tre til to, udsvingene i egenskaberne i materialet bliver meget mere tydelige og lettere at studere, "sagde Philip Kim, en ledende forsker i Harvard -gruppen. "Vi skabte en ekstrem form af materialet, der tillod os at kvantitativt tage fat på 1996 -teorien."

En forudsigelse af teorien var, at den afvigende omvendte Hall -effekt kunne eksistere uden for de temperaturer, ved hvilke materialet er en superleder. Denne undersøgelse gav en kvantitativ beskrivelse af den effekt, der perfekt matchede de teoretiske forudsigelser.

"Før vi var sikre på, hvilken rolle hvirvler spiller i den omvendte Hall -effekt, vi kunne ikke bruge det pålideligt som et måleværktøj, "sagde Vinokur." Nu hvor vi ved, at vi havde ret, vi kan bruge teorien til at studere andre udsving i overgangsfasen, i sidste ende fører til bedre forståelse af superledere. "

Selvom materialet i denne undersøgelse er todimensionalt, forskerne mener, at teorien gælder for alle superledere. Fremtidig forskning vil omfatte en dybere undersøgelse af materialerne - hvirvlernes adfærd har endda anvendelse i matematisk forskning.

Hvirvler er eksempler på topologiske objekter, eller objekter med unikke geometriske egenskaber. De er i øjeblikket et populært emne i matematik på grund af de måder, de danner og deformerer, og hvordan de ændrer egenskaberne for et materiale. Teorierne fra 1996 brugte topologi til at beskrive virvlernes adfærd, og topologiske egenskaber ved stof kunne bære en masse ny fysik.

"Nogle gange opdager du noget nyt og eksotisk, "sagde Vinokur om forskningen, "men nogle gange bekræfter du bare, at du gør det, trods alt, forstå opførsel af den daglige ting, der er lige foran dig. "

Et papir, der beskriver resultaterne af undersøgelsen, med titlen "Skilt-vende Hall-effekt i atomtynde højtemperatur-superledere, "blev udgivet den 21. juni i Fysisk gennemgangsbreve .