En ny strategi til fremstilling og manipulation af superledere ved højere temperaturer

Superledere har fascineret fysikere i årtier. Men disse materialer, som tillader den perfekte, tabsfrie strøm af elektroner, udviser normalt kun denne kvantemekaniske ejendommelighed ved temperaturer så lave – nogle få grader over det absolutte nulpunkt – at de gør dem upraktiske.

Et forskerhold ledet af Harvard-professor i fysik og anvendt fysik Philip Kim har demonstreret en ny strategi til fremstilling og manipulation af en bredt undersøgt klasse af højere-temperatur-superledere kaldet cuprates, hvilket baner vejen for at udvikle nye, usædvanlige former for superledning i tidligere uopnåelige materialer. .

Ved at bruge en unik fremstillingsmetode til lavtemperaturenheder rapporterer Kim og hans team i tidsskriftet Science en lovende kandidat til verdens første højtemperatur-superledende diode – i det væsentlige en switch, der får strømmen til at flyde i én retning – lavet af tynde cuprat-krystaller.

En sådan enhed kunne teoretisk give næring til nye industrier som kvantecomputere, der er afhængige af flygtige mekaniske fænomener, som er svære at opretholde.

"Højtemperatur-superledende dioder er faktisk mulige uden anvendelse af magnetiske felter og åbner nye døre til undersøgelser mod eksotiske materialer," sagde Kim.

Cuprater er kobberoxider, der for årtier siden vendte op på fysikverdenen ved at vise, at de bliver superledende ved meget højere temperaturer, end teoretikere havde troet muligt, "højere" er et relativt begreb (den nuværende rekord for en cuprat-superleder er -225 Fahrenheit). Imidlertid er håndtering af disse materialer uden at ødelægge deres superledende faser meget kompleks på grund af deres indviklede elektroniske og strukturelle funktioner.

Holdets eksperimenter blev ledet af S. Y. Frank Zhao, en tidligere studerende ved Griffin Graduate School of Arts and Sciences og nu en postdoc-forsker ved MIT. Ved hjælp af en luftfri, kryogen krystalmanipulationsmetode i ultraren argon konstruerede Zhao en ren grænseflade mellem to ekstremt tynde lag af cuprat-vismut strontium-calciumkobberoxid, kaldet BSCCO ("bisco").

BSCCO betragtes som en "højtemperatur"-superleder, fordi den begynder at superledende ved omkring -288 Fahrenheit (-177 C) - meget kold efter praktiske standarder, men forbløffende høj blandt superledere, som typisk skal afkøles til omkring -400 Fahrenheit (-240 C). ).

Zhao delte først BSCCO'en i to lag, hver en tusindedel af bredden af ​​et menneskehår. Derefter, ved -130 F (- 90 C), stablede han de to lag ved et 45-graders drejning, som en issandwich med skæve vafler, og bibeholdt superledning ved den skrøbelige grænseflade.

Holdet opdagede, at den maksimale superstrøm, der kan passere uden modstand gennem grænsefladen, er forskellig afhængig af strømmens retning. Det er afgørende, at holdet også demonstrerede elektronisk kontrol over grænsefladekvantetilstanden ved at vende denne polaritet.

Denne kontrol var det, der effektivt tillod dem at lave en omskiftelig, højtemperatur-superledende diode - en demonstration af grundlæggende fysik, der en dag kunne inkorporeres i et stykke computerteknologi, såsom en kvantebit.

"Dette er et udgangspunkt for at undersøge topologiske faser, med kvantetilstande beskyttet mod ufuldkommenheder," sagde Zhao.

Harvard-teamet arbejdede sammen med kollegerne Marcel Franz ved University of British Columbia og Jed Pixley ved Rutgers University, hvis hold tidligere udførte teoretiske beregninger, der præcist forudsagde cuprat-superlederens opførsel i en lang række snoningsvinkler. At forene de eksperimentelle observationer krævede også nye teoriudviklinger udført af University of Connecticuts Pavel A. Volkov.

Retningsnote (12/182023):Celsius-grader blev tilføjet til artiklen for at komplementere de relaterede Fahrenheit-målinger.

Flere oplysninger: S. Y. Frank Zhao et al., Time-reversal symmetry breaking superconductivity between twisted cuprate superconductors, Science (2023). DOI:10.1126/science.abl8371

Journaloplysninger: Videnskab

Leveret af Harvard University