“Purple Bronze Discovery” onthult de “perfecte sleutel” tot toekomstige technologie

Kwantumwetenschappers hebben een fenomeen in paars brons ontdekt dat de sleutel zou kunnen zijn tot de ontwikkeling van de ‘perfecte schakelaar’ in kwantumapparaten die schakelen tussen een isolator en een supergeleider.

Onderzoek uitgevoerd door de Universiteit van Bristol en gepubliceerd in WetenschappenDeze twee tegengestelde elektronische toestanden zijn te vinden in paars brons, een uniek eendimensionaal metaal dat bestaat uit ketens van individueel geleidende atomen.

Kleine veranderingen in een materiaal, veroorzaakt door een kleine stimulus zoals warmte of licht, kunnen bijvoorbeeld een onmiddellijke overgang veroorzaken van een isolerende toestand zonder geleidbaarheid naar een supergeleider met onbeperkte geleidbaarheid, en omgekeerd. Deze polarisatiediversiteit, bekend als ‘opkomende symmetrie’, heeft het potentieel om een ​​perfecte aan/uit-schakelaar te bieden in toekomstige ontwikkelingen op het gebied van de kwantumtechnologie.

De afbeelding toont een weergave van opkomende symmetrie, waarbij een perfect symmetrische waterdruppel uit een ijslaag tevoorschijn komt. IJskristallen in sneeuw hebben daarentegen een complexe vorm en zijn daarom minder symmetrisch dan een waterdruppel. De paarse kleur geeft het paars-bronzen materiaal aan waarin dit fenomeen werd ontdekt. Krediet: Universiteit van Bristol

Een reis van 13 jaar

Hoofdauteur Nigel Hussey, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Universiteit van Bristol“Het is een heel opwindende ontdekking die een perfecte sleutel zou kunnen bieden voor toekomstige kwantumapparaten”, zei hij.

“De fascinerende reis begon 13 jaar geleden in mijn laboratorium toen twee promovendi, Xiaofeng Xu en Nick Wickham, de magnetoweerstand – de verandering in weerstand veroorzaakt door een magnetisch veld – van paars brons maten.”

Bij afwezigheid van een magnetisch veld was de weerstand van paars brons sterk afhankelijk van de richting waarin de elektrische stroom binnenkwam. De temperatuurafhankelijkheid was ook complex. Bij kamertemperatuur is de soortelijke weerstand van metaal, maar naarmate de temperatuur daalt, keert dit om en lijkt het materiaal een isolator te worden. Vervolgens neemt bij de laagste temperaturen de weerstand weer af, omdat het in een supergeleider verandert. Ondanks deze complexiteit is magnetoweerstand verrassend eenvoudig. Het was in wezen hetzelfde, ongeacht de richting waarin de stroom of het veld was uitgelijnd, en volgde een perfecte lineaire temperatuurafhankelijkheid helemaal vanaf kamertemperatuur tot aan de supergeleidende overgangstemperatuur.

“Er kon geen samenhangende verklaring worden gevonden voor dit raadselachtige gedrag, en de gegevens bleven de komende zeven jaar sluimerend en ongepubliceerd. Een dergelijke kloof is ongebruikelijk in kwantumonderzoek, hoewel de reden hiervoor niet een gebrek aan statistieken was”, zegt professor Hussey. uitgelegd.

“Een dergelijke eenvoud in magnetische respons logenstraft altijd een complexe oorsprong, en het blijkt dat de mogelijke oplossing ervan alleen tot stand zal komen door een toevallige ontmoeting.”

Een toevallige ontmoeting leidt tot een doorbraak

In 2017 werkte professor Hussey aan de Radboud Universiteit en zag hij een advertentie voor een seminar van natuurkundige dr. Piotr Chudzinski over het onderwerp paars brons. Destijds wilden maar weinig onderzoekers een heel symposium aan deze onbekende stof wijden, dus zijn interesse was gewekt.

Professor Hussey zei: “Tijdens het symposium suggereerde Chudzinski dat de hoge weerstand veroorzaakt zou kunnen worden door interferentie tussen geleidingselektronen en ongrijpbare samengestelde deeltjes die bekend staan ​​als ‘donkere excitonen’. We praatten na het symposium en stelden samen een experiment voor om zijn theorie te testen. daaropvolgende metingen bevestigden dit in wezen.”

Dankzij dit succes heeft professor Hussey de magnetoweerstandsgegevens van Shaw en Wakeham nieuw leven ingeblazen en aan Dr. Chudzinski gepresenteerd. Twee belangrijke kenmerken van de gegevens – lineariteit met temperatuur en onafhankelijkheid van stroomrichting en -veld – intrigeerden Chudzinski, evenals het feit dat hetzelfde materiaal isolerend en supergeleidend gedrag kan vertonen, afhankelijk van hoe het materiaal groeit.

Dr. Chudzinski vroeg zich af of de interactie tussen ladingsdragers en excitonen die hij eerder presenteerde, in plaats van zich volledig in isolerend om te zetten, ertoe zou kunnen leiden dat eerstgenoemde naar de grens tussen isolerende en supergeleidende toestanden gaan naarmate de temperatuur daalt. Bij dezelfde grenzen is de waarschijnlijkheid dat een systeem een ​​isolator of een supergeleider is in essentie hetzelfde.

Professor Hussey zei: “Een dergelijke fysieke symmetrie is een ongebruikelijke toestand, en het ontwikkelen van een dergelijke symmetrie in een metaal naarmate de temperatuur daalt, vandaar de term ‘opkomende symmetrie’, zou een wereldprimeur zijn.”

Natuurkundigen zijn goed bekend met het fenomeen van symmetriebreuk: het verlagen van de symmetrie van een elektronensysteem bij afkoeling. De complexe rangschikking van watermoleculen in een ijskristal is een voorbeeld van deze gebroken symmetrie. Maar het tegenovergestelde is een uiterst zeldzame, zo niet unieke, gebeurtenis. Terugkomend op de water/ijs-analogie: het is alsof nadat het ijs verder is afgekoeld, de complexiteit van de ijskristallen weer “smelt” tot iets consistents en glads als een druppel water.

Opkomende symmetrie: een zeldzaam fenomeen

Dr. Chudzinski, nu onderzoeker aan de Queen’s University in Belfast, zei: “Stel je een goocheltruc voor waarbij een saaie, vervormde vorm wordt getransformeerd in een prachtige, perfect symmetrische bol. Dit is, kort gezegd, de essentie van de opkomende symmetrie. De persoon in De vraag is ons materiaal, paars brons, terwijl onze tovenaar de natuur zelf is.”

Om verder te testen of de theorie water bevat, werden nog eens 100 individuele kristallen, sommige isolerend en andere supergeleidend, onderzocht door een andere promovendus, Martin Berbin, werkzaam aan de Radboud Universiteit.

Professor Hussey voegde hieraan toe: “Na Martins gigantische inspanningen is het verhaal compleet en wordt de reden waarom verschillende kristallen zulke totaal verschillende grondtoestanden lijken te hebben duidelijk. Kijkend naar de toekomst kan het mogelijk zijn om deze ‘nieuwigheid’ te exploiteren om schakelaars te creëren in kwantumcircuits waar kleine stimuli diepe veranderingen van grote omvang in de schakelweerstand veroorzaken.

Referentie: “Opkomende symmetrie in een laag-dimensionale supergeleider aan de Mottness-rand” door P. Chudzinski, M. Berben, Xiaofeng Xu, N. Wakeham, B. Bernáth, C. Duffy, R. D.H. Hinlopen, Yu-Te Hsu, S. Weidman, B. Tinnemans, Rongying Jin, M. Greenblatt, NE Hussey, 16 november 2023, Wetenschappen.
doi: 10.1126/science.abp8948