Die Entdeckung des „plötzlichen Todes“ stellt unser Verständnis der Supraleitung in Frage: ScienceAlert

Quantenchaoswirbel, die spontan in atomar dünnen Schichten isolierender Materialien auftauchen, haben Physikern Rätsel aufgegeben und eine Überarbeitung der Modelle erforderlich gemacht, die einige drängende Probleme bei der Suche nach dem Verständnis der Supraleitung lösen könnten.

Experimentalphysiker der Princeton University in den USA und des japanischen National Institute of Materials Science haben das spontane Auftreten von Quantenfluktuationen am Übergangspunkt von einem Elektronenstau zu einer supraleitenden Autobahn untersucht, die eine 2D-Landschaft durchquert.

„Wie eine supraleitende Phase in eine andere umgewandelt werden kann, ist ein interessantes Forschungsgebiet.“ sagen Der Princeton-Physiker und leitende Autor Sanfeng Wu.

„Wir interessieren uns schon seit einiger Zeit für dieses Problem bei dünnen, sauberen, einkristallinen Materialien.“

Elektronen, die entlang der Kupferdrähte hinter der Trockenbauwand treiben, haben es schwer, von Punkt A nach Punkt B zu gelangen. Schalten Sie Ihren Fernseher ein, und in diesen Drähten entfaltet sich der Wahnsinn zur Hauptverkehrszeit, wenn Elektronen ausweichen und kollidieren, ihre kleinen elektronischen Hupen hupen und sie schütteln kleine Elektronen. Elektronische Handstücke überhitzen ihre winzigen elektronischen Motoren.

Supraleitung ist der Traum. Es ist eine einfache Fahrt vom Anfang bis zum Ende. Keine Wärme- oder Energieverschwendung. Es ist so effizient wie möglich, perfekt für die Erzeugung starker elektromagnetischer Felder oder Hochgeschwindigkeitsrechnen, die nicht zu einer Pfütze verschmelzen.

Allerdings ist es auch keine leicht zu erzeugende Leitfähigkeitsphase. Dies geschieht, wenn Elektronen ihren Sinn für Individualität verlieren und in einen Zustand der Synchronisation geraten und so etwas bilden Cooper-PaareKann die atomare Nachbarschaft mit Zen-ähnlicher Leichtigkeit bewältigen.

Dies erfordert ein Maß an Coolness, das nur mit schwerer und beeindruckender Ausrüstung erreicht werden kann. Wenn Forscher jedoch genau verstehen, was diese Quantenverschiebung auslöst und welche Rolle die Temperatur spielt, können sie sich möglicherweise mit weniger Kühlung zufrieden geben.

Ein Forschungsgebiet ist die Untersuchung des Quantenverhaltens von Elektronen, die auf physikalischen 2D-Oberflächen eingefangen sind. Da ihnen die Fähigkeit fehlt, sich auf und ab zu bewegen, erschweren Quantenphänomene ihren Übergang in einen supraleitenden Zustand.

„Wenn man in niedrigere Dimensionen vordringt, werden die Schwankungen so stark, dass sie jede Möglichkeit einer Supraleitung zunichte machen.“ sagen Der Princeton-Physiker Nay Phuan Ong.

Der grundlegende Killer des Zen-Zustands des Elektrons lässt sich am besten als Quantenwirbel beschreiben. Oder so lange beschreibt es„Quantenversionen des Wirbels, der entsteht, wenn eine Badewanne abläuft.“

Nach dem, was bekannt ist BKT-Übertragungnach Nobelpreisträger Vadim Berezinsky, John Kosterlitz und David Thewlis Diese tödlichen Todeswirbel verschwinden in 2D-Materialien, wenn die Temperatur niedrig genug wird.

Durch die Untersuchung dieses Raums von Quantentornados, die in supraleitenden Zuständen verheerende Schäden anrichten, schufen Wu und sein Team eine einzelne Schicht des halbmetallischen Wolframditellurids, das bei einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt zu einem energieerstickenden Isolator wird.

Wenn jedoch genügend Elektronen gepumpt werden, muss der Strom supraleitend fließen.

Allerdings bemerkten die Forscher etwas ganz Seltsames, als die Temperatur sank. Fügen Sie genügend Elektronen hinzu, und Sie erhalten Supraleitung. Bei einem kritischen Niveau der Elektronenbewegung kehren diese Wirbelstürme des Quantenwahnsinns jedoch zurück und unterbrechen den Strom.

Die Messung der Wirbel ergab, dass es sich nicht um gewöhnliche Quantenwirbel handelte, sondern dass sie bei höheren Temperaturen und Magnetfeldern stabil blieben, als die Theorie vorschreibt. Sinkt die Zahl der Elektronen unter einen bestimmten Wert, verschwinden die Wirbel plötzlich.

„Wir haben erwartet, dass starke Schwankungen unterhalb der kritischen Elektronendichte auf der nicht supraleitenden Seite anhalten werden, genau wie die starken Schwankungen deutlich oberhalb der BKT-Übergangstemperatur.“ sagen Umwerben.

„Was wir jedoch herausgefunden haben, ist, dass die Wirbelsignale ‚plötzlich‘ verschwinden, sobald die kritische Elektronendichte überschritten wird. Das war ein Schock. Wir können diese Beobachtung überhaupt nicht erklären – den ‚plötzlichen Tod‘ der Fluktuationen.“

Neue Paradigmen bieten Möglichkeiten für neue Forschungsmethoden, die zu neuen Technologien führen können. Angesichts der potenziellen Vorteile der Entwicklung der Supraleitung bei Raumtemperatur ist es nützlich, eine gute Wetterkarte der Quantenlandschaft zu haben.

Diese Forschung wurde veröffentlicht in Naturphysik.