Forskere rundt om i verden summer af en kandidat -superleder

Siden modtagelse af et tilskud på $25 millioner i 2019 for at blive det første National Science Foundation (NSF) Quantum Foundry, UC Santa Barbara-forskere tilknyttet støberiet har arbejdet på at udvikle materialer, der kan muliggøre kvanteinformationsbaserede teknologier til sådanne applikationer som kvanteberegning, kommunikation, sansning, og simulering.

De kan have gjort det.

I et nyt blad, offentliggjort i tidsskriftet Naturmaterialer , støberi meddirektør og UCSB materiale professor Stephen Wilson og flere medforfattere, herunder nøglesamarbejdspartnere ved Princeton University, studere et nyt materiale udviklet i Quantum Foundry som en kandidat-superleder - et materiale, hvor elektrisk modstand forsvinder og magnetiske felter udstødes - som kan være nyttigt i fremtidig kvanteberegning.

Et tidligere papir offentliggjort af Wilsons gruppe i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve og med i Fysik magasin beskrev et nyt materiale, cæsiumvanadiumantimonid (CsV ₃ Sb ₅ ), som udviser en overraskende blanding af egenskaber, der involverer et selvorganiseret mønster af ladning sammenflettet med en superledende tilstand. Opdagelsen blev gjort af Elings postdoktor Brenden R. Ortiz. Det viser sig, Wilson sagde, disse egenskaber deles af en række relaterede materialer, inklusive RbV ₃ Sb ₅ og KV ₃ Sb ₅ , sidstnævnte (en blanding af kalium, vanadium og antimon), som er emnet for denne seneste artikel, med titlen "Opdagelse af ukonventionel kiral ladningsordre i kagome superleder KV ₃ Sb ₅ ."

Materialer i denne gruppe af forbindelser, Wilson bemærkede, "forudsiges at være vært for interessant ladningstæthed bølgefysik [det vil sige deres elektroner organiserer sig selv i et ikke-ensartet mønster på tværs af metalstederne i forbindelsen]. Den ejendommelige natur af denne selvorganiserede mønsterdannelse af elektroner er fokus for det aktuelle arbejde."

Denne forudsagte ladningstæthed bølgetilstand og anden eksotisk fysik stammer fra netværket af vanadium (V) ioner inde i disse materialer, som danner et hjørnedelingsnetværk af trekanter kendt som et kagomegitter. KV ₃ Sb ₅ blev opdaget at være et sjældent metal bygget af kagome gitterplaner, en der også superleder. Nogle af materialets andre egenskaber fik forskere til at spekulere i, at ladninger i det kan danne små strømsløjfer, der skaber lokale magnetfelter.

Materialeforskere og fysikere har længe forudsagt, at der kunne fremstilles et materiale, der ville udvise en type ladningstæthedsbølgeorden, der bryder det, der kaldes tidsvendingssymmetri. "Det betyder, at den har et magnetisk øjeblik, eller en mark, forbundet med det, " sagde Wilson. "Du kan forestille dig, at der er visse mønstre på kagome-gitteret, hvor ladningen bevæger sig rundt i en lille sløjfe. Den sløjfe er som en strømløkke, og det vil give dig et magnetfelt. En sådan tilstand ville være en ny elektronisk stoftilstand og ville have vigtige konsekvenser for den underliggende ukonventionelle superledning."

Wilsons gruppes rolle var at fremstille materialet og karakterisere dets bulkegenskaber. Princeton-holdet brugte derefter højopløsnings scanning tunneling mikroskopi (STM) til at identificere, hvad de mener er signaturerne for en sådan tilstand, hvilken, Wilson sagde, "antages også at eksistere i andre unormale superledere, såsom dem, der superleder ved høj temperatur, selvom det ikke er blevet endeligt vist."

STM fungerer ved at scanne en meget skarp metaltrådsspids hen over en overflade. Ved at bringe spidsen ekstremt tæt på overfladen og påføre en elektrisk spænding til spidsen eller prøven, overfladen kan afbildes ned til skalaen for at løse individuelle atomer, og hvor elektronerne grupperer sig. I papiret beskriver forskerne at se og analysere et ordensmønster i den elektroniske ladning, som ændrer sig, når et magnetfelt påføres. Denne kobling til et eksternt magnetfelt antyder en ladningstæthedsbølgetilstand, der skaber sit eget magnetfelt.

Det er præcis den slags arbejde, som Quantum Foundry blev etableret for. "Støberiets bidrag er vigtigt, " sagde Wilson. "Det har spillet en førende rolle i udviklingen af ​​disse materialer, og støberiforskere opdagede superledning i dem og fandt derefter signaturer, der indikerer, at de kan have en ladningstæthedsbølge. Nu, materialerne studeres over hele verden, fordi de har forskellige aspekter, der er af interesse for mange forskellige samfund.

"De er af interesse, for eksempel, til mennesker i kvanteinformation som potentielle topologiske superledere, " fortsatte han. "De er af interesse for folk, der studerer ny fysik i topologiske metaller, fordi de potentielt er vært for interessante korrelationseffekter, defineret som elektronernes interaktion med hinanden, og det er potentielt det, der giver tilblivelsen af ​​denne ladningstæthedsbølgetilstand. Og de er af interesse for folk, der forfølger superledning ved høje temperaturer, fordi de har elementer, der synes at forbinde dem med nogle af de funktioner, der ses i disse materialer, selvom KV ₃ Sb ₅ superledere ved en ret lav temperatur."

Hvis KV ₃ Sb ₅ viser sig at være, hvad det mistænkes for at være, det kunne bruges til at gøre en topologisk qubit nyttig i kvanteinformationsapplikationer. For eksempel, Wilson sagde, "Ved at lave en topologisk computer, man ønsker at lave qubits, hvis ydeevne forstærkes af symmetrierne i materialet, hvilket betyder, at de ikke har tendens til at decohere [dekoherens af flygtige sammenfiltrede kvantetilstande, der er en stor hindring i kvanteberegning] og derfor har et reduceret behov for konventionel fejlkorrektion.

"Der er kun visse slags tilstande, du kan finde, der kan tjene som en topologisk qubit, og en topologisk superleder forventes at være vært for en, " tilføjede han. "Sådanne materialer er sjældne. Dette system kan være af interesse for det, men det er langt fra bekræftet, og det er svært at bekræfte, om det er det eller ej. Der er meget tilbage at gøre for at forstå denne nye klasse af superledere."