“Mor Bronz Keşif” gelecekteki teknolojinin “mükemmel anahtarını” ortaya koyuyor

Kuantum bilim insanları, mor bronzda, kuantum cihazlarında yalıtkan ve süperiletken olmak arasında geçiş yapan “mükemmel geçiş”i geliştirmenin anahtarı olabilecek bir olgu keşfettiler.

Bristol Üniversitesi tarafından yürütülen ve yayınlanan araştırma BilimlerBu iki karşıt elektronik durum, bireysel iletken atom zincirlerinden oluşan benzersiz tek boyutlu bir metal olan mor bronzda bulunur.

Örneğin, bir malzemede ısı veya ışık gibi küçük bir uyarıcı tarafından tetiklenen küçük değişiklikler, sıfır iletkenliğe sahip yalıtkan bir durumdan sınırsız iletkenliğe sahip bir süper iletkene (veya tam tersi) anında geçişi tetikleyebilir. “Ortaya çıkan simetri” olarak bilinen bu kutuplaşma çeşitliliği, gelecekteki kuantum teknolojisi gelişmelerinde mükemmel bir açma/kapama anahtarı sağlama potansiyeline sahiptir.

Görüntü, bir buz tabakasından çıkan mükemmel simetrik bir su damlasını gösteren, ortaya çıkan simetrinin bir temsilini göstermektedir. Buna karşılık, kardaki buz kristalleri karmaşık bir şekle sahiptir ve bu nedenle bir su damlasından daha az simetriktir. Mor renk, bu olgunun keşfedildiği mor-bronz malzemeyi gösterir. Kredi bilgileri: Bristol Üniversitesi

13 yıllık yolculuk

Başyazar Nigel Hussey, University of Fizik Profesörü Bristol Üniversitesi“Gelecekteki kuantum cihazları için mükemmel bir anahtar sağlayabilecek gerçekten heyecan verici bir keşif” dedi.

“Büyüleyici yolculuk 13 yıl önce laboratuvarımda iki doktora öğrencisi Xiaofeng Xu ve Nick Wickham’ın mor bronzun manyetik direncini (manyetik alanın neden olduğu dirençteki değişim) ölçtüğünde başladı.”

Manyetik alanın yokluğunda mor bronzun direnci büyük ölçüde elektrik akımının girdiği yöne bağlıydı. Sıcaklık bağımlılığı da karmaşıktı. Oda sıcaklığında direnç metaliktir, ancak sıcaklık düştükçe bu durum tersine döner ve malzeme yalıtkan gibi görünür. Daha sonra en düşük sıcaklıklarda süperiletkene dönüşerek direnci tekrar azalır. Bu karmaşıklığa rağmen manyetodirenç şaşırtıcı derecede basittir. Akımın veya alanın hizalandığı ve oda sıcaklığından süperiletken geçiş sıcaklığına kadar mükemmel bir doğrusal sıcaklık bağımlılığını takip ettiği yöne bakılmaksızın esasen aynıydı.

Profesör Hussey, “Bu kafa karıştırıcı davranış için tutarlı bir açıklama bulunamadı ve veriler sonraki yedi yıl boyunca hareketsiz ve yayınlanmadan kaldı. Bunun nedeni istatistik eksikliği olmamasına rağmen kuantum araştırmalarında böyle bir boşluk olağandışıdır.” açıkladı.

“Manyetik tepkideki bu kadar basitlik, her zaman karmaşık bir kökene sahip olduğunu gizler ve ortaya çıktığı gibi, potansiyel çözümü yalnızca tesadüfi bir karşılaşma yoluyla ortaya çıkacaktır.”

Şans eseri bir karşılaşma bir ilerlemeye yol açar

Profesör Hussey, 2017 yılında Radboud Üniversitesi’nde çalışıyordu ve fizikçi Dr. Piotr Chudzinski’nin mor bronz konulu bir seminerinin reklamını gördü. O zamanlar çok az araştırmacı bir sempozyumun tamamını bu bilinmeyen maddeye ayırıyordu, bu yüzden ilgisi arttı.

Profesör Hussey şunları söyledi: “Sempozyumda Chudzinski, yüksek direncin iletim elektronları ile ‘karanlık eksitonlar’ olarak bilinen anlaşılması zor kompozit parçacıklar arasındaki girişimden kaynaklanabileceğini öne sürdü. Sempozyumdan sonra sohbet ettik ve birlikte onun teorisini test etmek için bir deney önerdik. sonraki ölçümler esasen bunu doğruladı.”

Bu başarı sayesinde Profesör Hussey, Shaw ve Wakeham’ın manyetodirenç verilerini yeniden canlandırdı ve bunları Dr. Chudzinski’ye sundu. Verilerin iki temel özelliği (sıcaklıkla doğrusallık ve mevcut yön ve alandan bağımsızlık) Chudzinski’nin ilgisini çekti; aynı malzemenin, malzemenin nasıl büyüdüğüne bağlı olarak yalıtkan ve süper iletken davranışlar sergileyebileceği gerçeği de öyle.

Dr. Chudzinski, daha önce sunduğu yük taşıyıcıları ve eksitonlar arasındaki etkileşimin, tamamen yalıtkanlığa dönüşmek yerine, sıcaklık azaldıkça, yük taşıyıcıların yalıtkan ve süperiletken durumlar arasındaki sınıra doğru çekilmesine neden olup olamayacağını merak etti. Aynı limitlerde bir sistemin yalıtkan ya da süperiletken olma olasılığı esasen aynıdır.

Profesör Hussey şunları söyledi: “Böyle bir fiziksel simetri alışılmadık bir durumdur ve sıcaklık düştükçe bir metalde böyle bir simetri geliştirmek, dolayısıyla ‘ortaya çıkan simetri’ terimi dünyada bir ilk olacaktır.”

Fizikçiler simetri kırılması olgusunu çok iyi biliyorlar: soğuma üzerine bir elektron sisteminin simetrisinin azalması. Bir buz kristalindeki su moleküllerinin karmaşık düzeni bu kırık simetrinin bir örneğidir. Ancak bunun tersi, benzersiz olmasa da son derece nadir görülen bir durumdur. Su/buz benzetmesine dönecek olursak, sanki buz biraz daha soğuduktan sonra buz kristallerinin karmaşıklığı bir su damlası gibi tutarlı ve pürüzsüz bir şeye “eriyor”.

Ortaya çıkan simetri: nadir bir olgu

Şu anda Belfast Queen’s Üniversitesi’nde araştırma görevlisi olan Dr. Chudzinski şunları söyledi: “Sönük, çarpık bir şeklin güzel, mükemmel simetrik bir küreye dönüştürüldüğü bir sihir numarası hayal edin. Kısacası bu, ortaya çıkan simetrinin özüdür. soru bizim malzememiz, mor bronz, sihirbazımız ise doğanın ta kendisi.” .

Teorinin su içerip içermediğini daha fazla test etmek için, bazıları yalıtkan, bazıları süper iletken olan ilave 100 ayrı kristal, Radboud Üniversitesi’nde çalışan başka bir doktora öğrencisi Martin Berbin tarafından incelendi.

Profesör Hussey şunları ekledi: “Martin’in devasa çabalarının ardından hikaye tamamlandı ve farklı kristallerin neden bu kadar farklı taban durumlarına sahip gibi göründüğünün nedeni açıklığa kavuştu. Geleceğe bakıldığında, bu ‘yenilikten’ yararlanarak anahtarlar yaratmak mümkün olabilir. Küçük uyarıların anahtarlama direncinde derin, büyük büyüklükte değişiklikleri tetiklediği kuantum devreleri.

Referans: P. Chudzinski, M. Berben, Xiaofeng Xu, N. Wakeham, B. Bernáth, C. Duffy, R. D. H. Hinlopen, Yu-Te Hsu, S. tarafından “Mottness kenarında düşük boyutlu bir süper iletkende ortaya çıkan simetri”. Weidman, B. Tinnemans, Rongying Jin, M. Greenblatt, N. E. Hussey, 16 Kasım 2023, Bilimler.
doi: 10.1126/science.abp8948