Harvard odhaľuje inovatívny prístup k vysokoteplotným supravodičom

Spôsob výstavby môže uľahčiť hľadanie materiálov.

• Harvardský tím pod vedením Philipa Kima urobil inovácie vo vysokoteplotných supravodičoch pomocou kuprátov.
• Vpred sme vyvinuli prvú supravodivú diódu na svete kvantové výpočty,
• Demonštrovaný smerový superprúd a kontrola nad kvantovými stavmi v BiSCO.

Supravodiče fascinujú fyzikov už desaťročia. Ale tieto materiály, ktoré umožňujú dokonalý, bezstratový tok elektrónov, typicky vykazujú túto kvantovo-mechanickú jedinečnosť len pri tak nízkych teplotách – niekoľko stupňov nad absolútna nula – Aby boli nepraktické.

Výskumný tím vedený Philipom Kimom, profesorom fyziky a aplikovanej fyziky na Harvarde, predviedol novú stratégiu na vytváranie a manipuláciu so široko študovanou triedou vysokoteplotných supravodičov nazývaných kupráty. Čo otvára cestu pre vývoj nových, nezvyčajných foriem supravodivosti. predtým nedosiahnuteľné. Materiál.

Kim a jeho tím uvádzajú v časopise jedinečnú metódu výroby zariadení pri nízkych teplotách Veda Sľubný kandidát na prvú vysokoteplotnú supravodivú diódu na svete – v podstate spínač, ktorý umožňuje prúdenie prúdu v jednom smere – je vyrobený z tenkých kuprátových kryštálov. Takéto zariadenie by teoreticky mohlo podporiť rozvíjajúce sa odvetvia, ako je kvantová výpočtová technika, ktorá sa spolieha na prchavé mechanické javy, ktoré sa ťažko udržiavajú.

Grafické znázornenie stohovaného kuprátového supravodiča s údajmi na pozadí. Poďakovanie: Lucy Yip, Yoshi Saito, Alex Cui, Frank Zhao

„Vysokoteplotné supravodivé diódy sú v skutočnosti možné bez použitia magnetického poľa a otvárajú nové dvere výskumu pre štúdium exotických materiálov,“ povedal Kim.

Kupráty sú oxidy medi, ktoré pred desiatkami rokov obrátili svet fyziky hore nohami tým, že ukázali, že sa stávajú supravodivými pri oveľa vyšších teplotách, než teoretici očakávali, pričom „vysoké“ je relatívny pojem (aktuálny rekord pre kuprátový supravodič je 225). Fahrenheita, Ale manipulácia s týmito materiálmi bez zničenia ich supravodivých fáz je mimoriadne zložitá kvôli ich zložitým elektronickým a štrukturálnym charakteristikám.

Experimenty tímu viedol SY Frank Zhao, absolvent Griffin Graduate School of Arts and Sciences a teraz postdoktorandský výskumník. MIT, Pomocou metódy manipulácie s kryogénnymi kryštálmi bez vzduchu v ultračistom argóne vytvoril Zhao čisté rozhranie medzi dvoma extrémne tenkými vrstvami meďnatého bizmutu stroncium vápenatého oxidu medi, nazývaného BiSCO („BISCO“). BiSCO sa považuje za „vysokoteplotný“ supravodič, pretože začína supravodivý pri -288 Fahrenheita – veľmi chladný podľa praktických štandardov, ale prekvapivo vysoký medzi supravodičmi, ktoré sa zvyčajne musia ochladiť na -400.

Zhao najprv rozdelil BSCCO na dve vrstvy, pričom každá mala jednu tisícinu šírky ľudského vlasu. Potom, pri -130, naskladali dve vrstvy pri 45-stupňovom otočení, ako zmrzlinový sendvič so šikmými doštičkami, pričom zachovali supravodivosť na jemnom rozhraní.

Tím zistil, že maximálny superprúd, ktorý môže prejsť bez odporu cez rozhranie, sa líši v závislosti od smeru prúdu. Dôležité je, že tím tiež preukázal elektronickú kontrolu nad kvantovým stavom rozhrania obrátením tejto polarity. Táto kontrola im umožnila efektívne vytvoriť prepínateľnú, vysokoteplotnú supravodivú diódu – demonštráciu základnej fyziky, ktorá by sa jedného dňa mohla začleniť do výpočtovej techniky, ako je kvantový bit.

„Toto je východiskový bod pri skúmaní topologických fáz, v ktorých sú kvantové stavy chránené nedokonalosťami,“ povedal Zhao.

Referencia: SY Frank Zhao, Xiaoming Cui, Pavel A. Volkov, Hyobin Yu, Sangmin Lee, Jules A. Záhradník, Austin J. „Časovo-obrátené prerušenie supravodivosti medzi skrútenými kuprátovými supravodičmi“ od Ake, Rebecca Engelke, Yuval Ronen, Ruidan. Zhong, Genda Gu, Stephen Plugge, Tarun Tummuru, Miyoung Kim, Marcel Franz, Jedediah H. Pixley, Nicola Poccia a Philip Kim, 7. decembra 2023, Veda,
DOI: 10.1126/science.abl8371

Harvardský tím spolupracoval s kolegami Marcelom Franzom z University of British Columbia a Jedom Pixleym z Rutgers University, ktorých tímy predtým robili teoretické výpočty, ktoré boli presné. Predpovedané správanie kuprátového supravodiča veľký rozsah uhlov natočenia. Na syntézu experimentálnych pozorovaní Powell A. Bolo tiež potrebné vyvinúť novú teóriu, ktorú vykonal Volkov.

Výskum čiastočne podporila Národná vedecká nadácia, ministerstvo obrany a ministerstvo energetiky.