Harvardská univerzita odhaluje inovativní přístup k vysokoteplotním supravodičům

Způsob výroby může usnadnit detekci materiálu.

• Harvardský tým vedený Philipem Kimem vytváří vysokoteplotní supravodiče pomocí mědi.
• Vyvinul první pokročilou supravodivou diodu na světě Kvantitativní statistika.
• Demonstrujte směrový superproud a řízení kvantových stavů na BSCCO.

Supravodiče přitahují fyziky po celá desetiletí. Ale tyto materiály, které umožňují proudění elektronů dokonale a beze ztrát, obvykle vykazují tuto zvláštnost kvantové mechaniky pouze při velmi nízkých teplotách – o několik stupňů vyšších Absolutní nula – Aby to bylo nepraktické.

Výzkumný tým vedený harvardským profesorem fyziky a aplikované fyziky Philipem Kimem demonstroval novou strategii výroby a manipulace s široce studovanou třídou vysokoteplotních supravodičů zvaných kupráty, čímž připravil půdu pro konstrukci nových a neobvyklých forem supravodivosti na místech, která nikdy nebyla. Dříve toho nebylo možné dosáhnout. Materiál.

Kim a jeho tým pomocí jedinečné metody výroby nízkoteplotních zařízení napsali svou zprávu do časopisu vědy Slibný kandidát na první vysokoteplotní supravodivou diodu na světě – v podstatě spínač, který zajišťuje tok proudu v jednom směru – je vyroben z tenkých krystalů mědi. Teoreticky by takové zařízení mohlo pohánět vznikající průmyslová odvětví, jako je kvantová výpočetní technika, která se spoléhá na přechodné mechanické jevy, které je obtížné udržovat.

Grafické znázornění stočeného a vrstveného měděného supravodiče s doprovodnými podkladovými daty. Fotografie: Lucy Yip, Yoshi Saito, Alex Cui, Frank Chow

„Vysokoteplotní supravodivé diody jsou skutečně možné bez použití magnetických polí a otevírají nové dveře výzkumu ve studiu exotických materiálů,“ řekl Kim.

Kupráty jsou oxidy mědi, které před desítkami let obrátily svět fyziky vzhůru nohama tím, že ukázaly, že se stávají supravodivými při teplotách mnohem vyšších, než si teoretici mysleli, a „vyšší“ je relativní pojem (aktuální rekord pro měděný supravodič je -225). . F). Ale manipulace s těmito materiály bez zničení jejich supravodivých fází je velmi složitá kvůli jejich komplexním elektronickým a strukturálním vlastnostem.

Experimenty týmu SY vedl Frank Zhao, bývalý student Griffin Graduate School of Arts and Sciences a nyní postdoktorandský výzkumník na Griffin. Massachusetts Institute of Technology. Pomocí metody bezvzduchového kryogenního zpracování krystalů ve vysoce čistém argonu navrhl Zhao čisté rozhraní mezi dvěma extrémně tenkými vrstvami oxidu mědi, vápníku, bismutu a stroncia, přezdívaného BSCCO („bisco“). BSCCO je považován za „vysokoteplotní“ supravodič, protože začíná supravodivý při teplotě asi 288 stupňů Fahrenheita – velmi chladný podle praktických standardů, ale překvapivě vysoký mezi supravodiči, které se obvykle musí ochladit na asi -400 stupňů Fahrenheita.

Zhao nejprve rozdělil BSCCO na dvě vrstvy, každá o šířce jedné tisíciny lidského vlasu. Pak při -130 stupních naskládal dvě vrstvy pod úhlem 45 stupňů, jako zmrzlinový sendvič s čipy špatně zarovnanými, při zachování supravodivosti na křehkém rozhraní.

Tým zjistil, že maximální superproud, který může projít bez odporu přes rozhraní, se mění se směrem proudu. Zásadní je, že tým také demonstroval elektronické řízení kvantového stavu na rozhraní obrácením této polarity. Právě toto ovládání jim ve skutečnosti umožnilo vyrobit vysokoteplotní přepínatelnou supravodivou diodu, ukázku fundamentální fyziky, která by mohla být jednoho dne začleněna do části výpočetní techniky, jako je například kvantový bit.

„Toto je výchozí bod při studiu topologických fází, které se vyznačují kvantovými stavy chráněnými před defekty,“ řekl Zhao.

Reference: “Time Reversal Symmetry Breaking Superconductivity Between Twisted Copper Superconductors” od SY Frank Zhao, Xiaomeng Cui, Pavel A. Volkov, Hyobin Yoo, Sangmin Lee, Jules A. Gardener, Austin J. Akey, Rebecca Engelke, Yuval Ronen, Ruidan Chung , Jinda Guo, Stefan Plug, Taron Tomorrow, Myung Kim, Marcel Franz, Jedediah H. Pixley, Nicola Buccia a Philip Kim, 7. prosince 2023, vědy.
doi: 10.1126/science.abl8371

Harvardský tým spolupracoval s kolegy Marcelem Franzem z University of British Columbia a Jedem Pixleym z Rutgers University, jejichž tým předtím prováděl přísné teoretické výpočty. A očekával Chování měděného supravodiče v A Široký rozsah Z torzních úhlů. Sladění experimentálních pozorování také vyžaduje nový teoretický vývoj, kterého se ujal Pavel A. Volkov z University of Connecticut.

Výzkum byl částečně podporován National Science Foundation, ministerstvem obrany a ministerstvem energetiky.