De strijd om drankjes in de zomer koud te houden is een les in klassieke faseovergangen. Om faseovergangen te bestuderen, breng warmte aan op een stof en kijk hoe de eigenschappen veranderen. Voeg warmte toe aan water en op het zogenaamde "kritieke punt, " kijk hoe het verandert in een gas (stoom). Haal de warmte uit het water en kijk hoe het verandert in een vaste stof (ijs).

Nutsvoorzieningen, stel je voor dat je alles hebt afgekoeld tot zeer lage temperaturen - zo laag dat alle thermische effecten verdwijnen. Welkom in het kwantumrijk, waar druk en magnetische velden ervoor zorgen dat nieuwe fasen ontstaan ​​in een fenomeen dat kwantumfaseovergangen (QPT) wordt genoemd. Meer dan een simpele overgang van de ene fase naar de andere, QPT vormen volledig nieuwe eigendommen, zoals supergeleiding, in bepaalde materialen.

Zet spanning op een supergeleidend metaal, en de elektronen reizen zonder weerstand door het materiaal; elektrische stroom zal voor altijd vloeien zonder te vertragen of warmte te produceren. Sommige metalen worden supergeleidend bij hoge temperaturen, die belangrijke toepassingen heeft in de transmissie van elektrische energie en op supergeleiders gebaseerde gegevensverwerking. Wetenschappers ontdekten het fenomeen 30 jaar geleden, maar het mechanisme voor supergeleiding blijft een raadsel omdat de meeste materialen te complex zijn om de QPT-fysica in detail te begrijpen. Een goede strategie zou zijn om eerst te kijken naar minder gecompliceerde modelsystemen.

Nutsvoorzieningen, Natuurkundigen en medewerkers van de Universiteit van Utah hebben ontdekt dat supergeleidende nanodraden gemaakt van een MoGe-legering kwantumfaseovergangen ondergaan van een supergeleidende naar een normale metaaltoestand wanneer ze bij lage temperaturen in een toenemend magnetisch veld worden geplaatst. De studie is de eerste die het microscopische proces blootlegt waardoor het materiaal zijn supergeleiding verliest; het magnetische veld breekt elektronenparen af, genaamd Cooper-paren, die interageren met andere Cooper-paren en een dempende kracht ervaren van ongepaarde elektronen die in het systeem aanwezig zijn.

De bevindingen worden volledig verklaard door de kritische theorie voorgesteld door coauteur Adrian Del Maestro, universitair hoofddocent aan de Universiteit van Vermont. De theorie beschreef correct hoe de evolutie van supergeleiding afhangt van de kritische temperatuur, magnetisch veld grootte en oriëntatie, nanodraad dwarsdoorsnede, en de microscopische eigenschappen van het nanodraadmateriaal. Dit is de eerste keer op het gebied van supergeleiding dat alle details van QPT voorspeld door een theorie werden bevestigd op echte objecten in het laboratorium.

"Kwantumfaseovergangen klinken misschien heel exotisch, maar ze worden in veel systemen waargenomen, van het centrum van sterren tot de kern van atomen, en van magneten tot isolatoren, " zei Andrey Rogachev, universitair hoofddocent aan de U en senior auteur van de studie. "Door kwantumfluctuaties in dit eenvoudiger systeem te begrijpen, we kunnen praten over elk detail van het microscopische proces en het toepassen op meer gecompliceerde objecten."

De studie is op 9 juli online gepubliceerd 2018 in Natuurfysica .

Theoretisch ontmoet experimenteel

Natuurkundigen van de gecondenseerde materie bestuderen wat er met materialen gebeurt als al hun warmte op twee manieren wordt verwijderd:experimentele natuurkundigen ontwikkelen materialen om in een laboratorium te testen, terwijl theoretische natuurkundigen wiskundige vergelijkingen ontwikkelen om het fysieke gedrag te begrijpen. Dit onderzoek vertelt het verhaal van hoe de theorie en het experiment elkaar informeerden en motiveerden.

Als postdoctoraal onderzoeker, Rogachev toonde aan dat het toepassen van magnetische velden op nanodraden bij lage temperaturen de supergeleiding verstoort. Hij begreep de effecten bij eindige temperaturen, maar kwam niet tot een conclusie over wat er gebeurt op het "kritieke punt" waar supergeleiding hapert. Zijn werk, echter, inspireerde de jonge theoretisch fysicus Adrian Del Maestro, destijds een afgestudeerde student aan Harvard, om een ​​complete kritische theorie van de kwantumfaseovergang te ontwikkelen.

In Del Maestro's "paar brekende" theorie, het is onwaarschijnlijk dat enkele elektronen tegen de randen van de kleinste draad botsen, omdat zelfs een enkele streng atomen groot is in vergelijking met de grootte van een elektron. Maar, zei Del Maestro, "twee elektronen die de paren vormen die verantwoordelijk zijn voor supergeleiding kunnen ver uit elkaar liggen en nu maakt de nanoschaalgrootte van de draad het moeilijker voor hen om samen te reizen." Voeg dan een krachtig magnetisch veld toe, die paren uit elkaar haalt door hun paden te buigen, en "de elektronen kunnen niet samenspannen om de supergeleidende toestand te vormen, ' zei Del Maestro.

"Stel je voor dat de randen van de draad en het magnetische veld werken als een wrijvingskracht waardoor elektronen niet zoveel willen paren, "zei Del Maestro. "Dat natuurkunde universeel zou moeten zijn." Dat is precies wat zijn theorie en het nieuwe experiment aantonen.

"Slechts een paar belangrijke ingrediënten - ruimtelijke dimensie en het bestaan ​​​​van supergeleiding - zijn essentieel bij het beschrijven van de opkomende eigenschappen van elektronen bij kwantumfaseovergangen, " zei hij. De verbazingwekkende overeenkomst tussen de geleidbaarheidswaarden die Del Maestro's theorie meer dan tien jaar geleden voorspelde en de waarden gemeten in het nieuwe experiment, vormt een krachtige standaard voor "de experimentele bevestiging van kwantumuniversaliteit, "Del Maestro zei, "en onderstreept het belang van fundamenteel natuurkundig onderzoek."

State-of-the-art nanodraden

Om de theorie van Del Maestro te testen, Rogachev had bijna eendimensionale nanodraden nodig, met een diameter kleiner dan 20-30 nanometer.

"In de theoretische natuurkunde eendimensionale systemen spelen een heel speciale rol, omdat voor hen een exacte theorie kan worden ontwikkeld", zei Rogachev. "Toch zijn eendimensionale systemen notoir moeilijk om experimenteel mee om te gaan."

De MoGe-nanodraden zijn het cruciale element van het hele onderzoek. In zijn postdoctorale tijd, Rogachev kon zulke draden maar 100 nanometer lang maken, te kort om het kritische regime te testen. Jaren later aan de U, hij en zijn toenmalige student Hyunjeong Kim, hoofdauteur van de studie, verbeterd op een bestaande methode van elektronenstraallithografie om een ​​state-of-the-art techniek te ontwikkelen.

Negenennegentig procent van de natuurkundigen maakt nanostructuren met behulp van een methode die positieve elektronenstraallithografie (e-beam) wordt genoemd. Ze schijnen een bundel elektronen op een elektronengevoelige film, verwijder vervolgens het blootgestelde deel van de film om de benodigde structuren te creëren. Veel minder natuurkundigen gebruiken negatieve e-beam lithografie, waarin ze hun structuur tekenen met de e-beam, maar alle onbelichte film verwijderen. Dit is de methode die Kim kocht tot de state-of-the-art, het fabriceren van dunne nanodraden met een breedte van minder dan 10 nm.

"We maken ze niet alleen, maar we kunnen ze meten, " zei Rogachev. "Veel mensen maken hele kleine deeltjes, maar om echt te kunnen kijken naar transport op deze draden, het was als het ontwikkelen van een nieuwe techniek."

Om de kwantumfaseovergangen te testen, Rogachev bracht de draden naar Benjamin Sacépé en Frédéric Gay van het Institut Néel in Grenoble, waar hun faciliteit het materiaal kan koelen tot 50 milliKelvin, het toepassen van magnetisch veld van verschillende sterktes en het meten van de weerstand van de draden om te beschrijven hoe de supergeleiding afbreekt. De Franse medewerkers voegden aan de groep een jarenlange expertise toe op het gebied van nauwkeurige transportmetingen, ruisonderdrukkingstechnieken en kwantumfysica van tweedimensionale supergeleiders.

"Na decennia van intensief onderzoek, we begrijpen supergeleiding nog lang niet helemaal", zegt Tomasz Durakiewicz, programmadirecteur voor fysica van de gecondenseerde materie bij de National Science Foundation, die dit werk medefinanciert. "Deze resultaten brengen het veld aanzienlijk vooruit door de tastbare, fysieke universum van nanodraden en de veldgestuurde faseovergangen die plaatsvinden op de kwantumschaal. Door theorie en experiment samen te voegen, het team was in staat om de complexe relatie tussen geleidbaarheid en geometrie uit te leggen, magnetische velden en kritische temperatuur, allemaal terwijl ze een theorie van kwantumkritiek voorstellen die uitstekend overeenkomt met experimentele waarnemingen."

Naar hogere temperaturen brengen

Rogachev bereidt zich nu voor op het testen van nanodraden gemaakt van cupraten. Cuprates hebben een kwantumfaseovergang tussen een magnetische toestand en een normale toestand, Op het kritieke punt, er zijn kwantumfluctuaties die, volgens verschillende theorieën, het ontstaan ​​van supergeleiding bevorderen. De cuprates worden vaak hoge-temperatuur-supergeleiders genoemd omdat ze naar de supergeleidende toestand gaan bij de recordhoge temperatuur van 90-155 K, een contrast met de vrij kleine kritische temperatuur van MoGe-legeringen bij 3-7 K. Rogachev wil draden maken van cupraten om het microscopische mechanisme van supergeleiding bij hoge temperatuur te begrijpen.

Een andere weg die hij met zijn medewerkers in Grenoble wil verkennen, is de kwantumfaseovergang in supergeleidende films.

"Nu hebben we een bepaald stuk natuurkunde uitgewerkt, we kunnen naar meer gecompliceerde objecten gaan waar we eigenlijk niet precies weten wat er aan de hand is, " hij zei.