Purple Bronze Discovery odhaľuje „Perfektný prepínač“ pre Future Tech

Kvantoví vedci objavili fenomén vo fialovom bronze, ktorý by mohol byť kľúčom k vývoju „dokonalého spínača“ v kvantových zariadeniach, ktoré prepínajú medzi izolátorom a supravodičom.

Výskum vedený Univerzitou v Bristole a zverejnený VedaZistilo sa, že tieto dva protichodné elektronické stavy existujú vo fialovom bronze, jedinečnom jednorozmernom kove zloženom z jednotlivých vodivých reťazcov atómov.

Napríklad malé zmeny v materiáli vyvolané malým podnetom, ako je teplo alebo svetlo, môžu spustiť okamžitý prechod z izolačného stavu s nulovou vodivosťou do supravodiča s nekonečnou vodivosťou a naopak. Táto polarizovaná všestrannosť, známa ako „vznikajúca symetria“, má potenciál ponúknuť ideálny vypínač v budúcom vývoji kvantovej technológie.

Obrázok ukazuje reprezentáciu vznikajúcej symetrie, ktorá ukazuje dokonale symetrickú kvapôčku vody vystupujúcu z ľadovej vrstvy. Naproti tomu ľadové kryštály v snehu majú zložitý tvar a teda menšiu symetriu ako kvapka vody. Fialová farba odkazuje na fialový bronzový materiál, v ktorom bol incident objavený. Kredit: University of Bristol

13 ročná cesta

Hlavným autorom je Nigel Hussey, profesor fyziky Univerzita v BristolePovedal: „Toto je skutočne vzrušujúci objav, ktorý by mohol poskytnúť ideálny prepínač pre budúce kvantové zariadenia.

„Pozoruhodná cesta začala v mojom laboratóriu pred 13 rokmi, keď dvaja doktorandi, Xiaofeng Xu a Nick Wakeham, zmerali magnetorezistenciu – zmenu odporu v dôsledku magnetického poľa – fialového bronzu.“

Pri absencii magnetického poľa bol odpor fialového bronzu veľmi závislý od smeru zavedenia elektrického prúdu. Jeho teplotná závislosť bola tiež pomerne zložitá. Okolo izbovej teploty je odpor kovový, ale s poklesom teploty sa to obráti a materiál sa premení na izolant. Potom pri najnižších teplotách odpor pri premene na supravodič opäť klesá. Napriek tejto zložitosti sa prekvapivo zistilo, že magnetizmus je extrémne jednoduchý. To bolo v podstate rovnaké bez ohľadu na to, ktorým smerom bol prúd alebo pole zarovnané a sledovalo dokonalú lineárnu teplotnú závislosť od izbovej teploty po teplotu supravodivého prechodu.

„Keď sa nenašlo žiadne koherentné vysvetlenie tohto záhadného správania, údaje zostali nečinné a nepublikované počas nasledujúcich siedmich rokov. Tento druh oneskorenia je v kvantovom výskume nezvyčajný, hoci nie je spôsobený nedostatkom údajov,“ vysvetlil profesor Hussey.

„Takáto jednoduchosť magnetickej odozvy je vždy v rozpore so zložitým pôvodom a ako sa ukazuje, jej potenciálne riešenie by prišlo iba prostredníctvom náhodného stretnutia.“

Náhodné stretnutie vedie k úspechu

V roku 2017 profesor Hussey pôsobil na Radboud University a videl reklamu na seminár fyzika Dr. Piotra Chudzinského na tému fialový bronz. V tom čase niektorí výskumníci venovali tomuto málo známemu materiálu celý seminár, takže jeho záujem vzbudil záujem.

Profesor Hussey povedal: „Na sympóziu Chudzinski navrhol, že odporová excitácia by mohla byť spôsobená interferenciou medzi vodivostnými elektrónmi a nepolapiteľnými zmiešanými časticami známymi ako „temné excitóny“. Po seminári sme sa rozprávali a spoločne sme navrhli experiment na overenie jeho teórie. Naše následné merania to v podstate potvrdili.

Profesor Hussey, povzbudený týmto úspechom, oživil Xu a Wakehamove údaje o magnetorezistencii a ukázal ich doktorovi Chudzinskému. Dve ústredné črty údajov – linearita s teplotou a nezávislosť od prúdu a orientácie poľa – prilákali Chudzinského, rovnako ako skutočnosť, že samotný materiál mohol vykazovať izolačné aj supravodivé správanie v závislosti od toho, ako bol materiál pestovaný.

Dr. Chudzinski uvažoval, či namiesto toho, aby sa úplne zmenil na izolátor, interakcie medzi nosičmi náboja a excitónmi, ktoré predtým zaviedol, môžu spôsobiť, že sa pri znižovaní teploty posunú smerom k hranici medzi izolačným a supravodivým stavom. Na samotnej hranici je pravdepodobnosť, že systém bude izolantom alebo supravodičom, v podstate rovnaká.

Profesor Hussey povedal: „Takáto fyzikálna symetria je nezvyčajná situácia a vyvinutie takejto symetrie v kove pri nízkych teplotách, preto termín ‚náhodná symetria‘ by bol svetovou novinkou.“

Fyzici si dobre uvedomujú fenomén narušenia symetrie: symetria elektrónového systému sa pri ochladzovaní znižuje. Komplexné usporiadanie molekúl vody v ľadových kryštáloch je príkladom takejto narušenej symetrie. Tento paradox je však mimoriadne zriedkavý jav, ak nie jedinečný. Ak sa vrátime k analógii voda/ľad, zdá sa, že po ďalšom ochladzovaní ľadu sa zložitosť ľadových kryštálov opäť stáva symetrickou a hladkou, ako kvapka vody.

Náhodná symetria: zriedkavý jav

Dr Chudzinski, teraz vedecký pracovník na Queen’s University Belfast, povedal: „Predstavte si magický trik, pri ktorom sa nudný, zdeformovaný tvar premení na krásnu, dokonale symetrickú guľu. Toto je skrátka podstata vznikajúcej symetrie. Postavou, o ktorej je reč, je náš materiál, fialový bronz, zatiaľ čo našou čarodejnicou je samotná príroda.

Aby sa ďalej otestovalo, či tam teoreticky bola voda, ďalších 100 jednotlivých kryštálov, niektoré izolačné a iné supravodivé, skúmal Maarten Berben, ďalší doktorand pracujúci na Radboud University.

Profesor Hussey pokračoval: „Po Martonovom mimoriadne tvrdom úsilí bol príbeh dokončený a dôvod, prečo rôzne kryštály zobrazovali toľko rôznych základných stavov, bol jasný. Pri pohľade do budúcnosti môže byť možné využiť túto „ostrosť“ na vytvorenie spínačov v kvantových obvodoch, pričom malé excitácie spôsobia hlboké, rádové zmeny odporu spínača.

Odkaz: P. Chudzinski, M. Berben, Xiaofeng Xu, N. Wakeham, B. „Vznikajúca symetria v nízkorozmernom supravodiči na okraji vlhkosti“ od Berntha, C. Duffyho, RDH Hinlopena, Yu-Te Su, S. Widmann, P. Tinnemans, Rongying Jin, M. Greenblatt a NE Hussey, 16. novembra 2023, Veda,
DOI: 10.1126/science.abp8948