Diep in vaste stoffen, individuele elektronen razen rond op een snelweg op nanoschaal geplaveid met atomen. Voor het grootste gedeelte, deze elektronen vermijden elkaar, door hun wederzijdse afstoting gescheiden gehouden. Maar trillingen in de atoomweg kunnen hun rijstroken doen vervagen en soms laten de kleine deeltjes paren. Het resultaat is soepel en verliesvrij reizen, en het is een manier om supergeleiding te creëren.

Maar er zijn andere, minder gebruikelijke manieren om dit effect te bereiken. Wetenschappers van de Universiteit van Maryland (UMD), de Universiteit van Californië, Irvine (UCI) en Fudan University hebben nu aangetoond dat kleine magnetische trillingen leiden tot supergeleiding in een materiaal dat is gemaakt van metalen nanolagen. En, verder dan dat, de resulterende elektronenparen verbrijzelen een fundamentele symmetrie tussen verleden en toekomst. Hoewel het materiaal een bekende supergeleider is, deze onderzoekers leveren een theoretisch model en meting, die, Voor de eerste keer, onthult ondubbelzinnig het exotische karakter van het materiaal.

In kwantummaterialen, het doorbreken van de symmetrie tussen het verleden en de toekomst betekent vaak onconventionele fasen van materie. Het hier bestudeerde nikkel-bismut (Ni-Bi) monster is het eerste voorbeeld van een 2D-materiaal waar dit type supergeleiding intrinsiek is, wat betekent dat het gebeurt zonder de hulp van externe agenten, zoals een nabijgelegen supergeleider. Deze bevindingen, onlangs gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , maken Ni-Bi een aantrekkelijke keuze voor gebruik in toekomstige kwantumcomputers. Dit onderzoek kan wetenschappers ook helpen bij hun zoektocht naar andere soortgelijke vreemde supergeleiders.

Mehdi Kargarian, een postdoctoraal onderzoeker aan de UMD en een co-auteur van het artikel, legt uit dat zelfs na een eeuw van studie, supergeleiding blijft een levendig onderzoeksgebied. "Het is een vrij oud probleem, dus het is verrassend dat mensen nog steeds soorten supergeleiding ontdekken in het lab die ongekend zijn, "Kargarian zegt, eraan toevoegend dat er typisch twee vragen zijn die wetenschappers stellen aan een nieuwe supergeleider. "Eerst, we willen de onderliggende elektronenparing begrijpen - wat de supergeleiding veroorzaakt, "zegt hij. "Het tweede ding, met betrekking tot toepassingen, is om te zien of supergeleiding mogelijk is bij hogere temperaturen."

supergeleiders, vooral de exotische soorten, blijven grotendeels geketend aan logge cryogene apparatuur. Wetenschappers zoeken naar manieren om supergeleidende temperaturen hoger te krijgen, waardoor deze materialen gemakkelijker te gebruiken zijn voor zaken als verbeterde elektriciteitsdistributie en het bouwen van kwantumapparaten. In dit nieuwe onderzoek het team pakt de eerste vraag van Kargarian aan en het materiaal wijst op een positieve kijk op de tweede vraag. Zijn exotische supergeleiding, hoewel nog steeds cryogeen, vindt plaats bij een hogere temperatuur in vergelijking met andere vergelijkbare systemen.

Ni-Bi-supergeleiding werd voor het eerst waargenomen in het begin van de jaren negentig. Maar later, toen wetenschappers van Fudan University studies publiceerden van een ultrazuiver, ultradunne steekproef, ze merkten dat er iets ongewoons gebeurde.

De vreemdheid begint met de supergeleiding zelf. Bismut alleen is geen supergeleider, behalve onder buitengewoon lage temperaturen en hoge druk - omstandigheden die niet gemakkelijk te bereiken zijn. Nikkel is magnetisch en geen supergeleider. In feite, Van sterke magneten is bekend dat ze het effect onderdrukken. Dit betekent dat te veel nikkel de supergeleiding vernietigt, maar een kleine hoeveelheid induceert het.

UMD-theoretici stelden voor dat fluctuaties in het magnetisme van nikkel de kern vormen van dit eigenaardige effect. Deze kleine magnetische trillingen helpen elektronen om paren te vormen, dus het werk doen dat wordt uitgevoerd door trillingen in conventionele supergeleiders. Als er te veel nikkel is, magnetisme domineert en het effect van de fluctuaties neemt af. Als er te veel bismut is, dan het bovenoppervlak, waar supergeleiding plaatsvindt, te ver verwijderd is van de bron van magnetische fluctuaties.

De goudlokje-zone ontstaat wanneer een twintig nanometer dikke bismutlaag bovenop twee nanometer nikkel wordt gekweekt. Voor deze laagcombinatie supergeleiding vindt plaats op ongeveer 4 graden boven het absolute nulpunt. Hoewel dit ongeveer zo koud is als de diepe ruimte, het is eigenlijk vrij laboratoriumvriendelijk en bereikbaar met standaard cryogene apparatuur.

Het idee dat magnetische fluctuaties supergeleiding kunnen bevorderen is niet nieuw en stamt uit het einde van de 20e eeuw. Echter, de meeste eerdere voorbeelden van dergelijk gedrag vereisen strikte bedrijfsomstandigheden, zoals hoge druk. De onderzoekers leggen uit dat Ni-Bi anders is omdat eenvoudige koeling voldoende is om dit soort exotische supergeleiding te bereiken, die de tijdsymmetrie doorbreekt.

De onderzoekers gebruikten een sterk aangepast apparaat om te zoeken naar tekenen van de gebroken symmetrie. Licht moet roteren wanneer het wordt gereflecteerd door monsters die deze eigenschap hebben. Voor Ni-Bi, de verwachte hoeveelheid lichtrotatie is tientallen nanoradialen, dat is ongeveer 100 miljardste van een teek op een wijzerplaat. Jing Xia, een co-auteur van het artikel en een professor aan de UCI, heeft een van de weinige apparaten ter wereld die zo'n onmerkbare lichtrotatie kan meten.

Om deze rotatie voor Ni-Bi te meten, lichtgolven worden eerst geïnjecteerd in het ene uiteinde van een enkele optische vezel voor speciale doeleinden. De twee golven reizen door de vezel, als op onafhankelijke paden. Ze raken het monster en keren dan terug op hun pad. Bij terugkomst, de golven worden gecombineerd en vormen een patroon. Rotaties van de lichtgolven - van, zeggen, symmetriebreking—zal in het geanalyseerde patroon verschijnen als kleine vertalingen. Xia en zijn collega's van de UCI hebben ongeveer 100 nanoradiaal rotatie gemeten, bevestiging van de gebroken symmetrie. belangrijk, het effect verscheen net toen het Ni-Bi-monster een supergeleider werd, wat suggereert dat de gebroken tijdsymmetrie en het optreden van supergeleiding sterk met elkaar verbonden zijn.

Deze vorm van supergeleiding is zeldzaam en onderzoekers zeggen dat er nog steeds geen recept is om het te laten gebeuren. Maar, zoals Xia aangeeft, er is begeleiding in de wiskunde achter het elektronengedrag. "We weten wiskundig hoe we elektronenparen de tijdomkeringssymmetrie kunnen laten breken, " zegt Xia. Praktisch, hoe bereik je dit formeel? Dat is de vraag van een miljoen dollar. Maar mijn instinct is dat als je door magnetische fluctuatie gemedieerde supergeleiding krijgt, zoals in dit materiaal, dan is de kans groot dat je die symmetrie doorbreekt."