Harvard University onthult innovatieve benadering van supergeleiders bij hoge temperaturen

De productiemethode kan materiaaldetectie vergemakkelijken.

• Het Harvard-team onder leiding van Philip Kim maakt supergeleiders voor hoge temperaturen met behulp van koper.
• Ontwikkelde ’s werelds eerste geavanceerde supergeleidende diode Kwantitatieve statistieken.
• Demonstreer directionele superstroom en controle van kwantumtoestanden bij BSCCO.

Supergeleiders intrigeren natuurkundigen al tientallen jaren. Maar deze materialen, die ervoor zorgen dat de elektronenstroom perfect en zonder verlies kan stromen, vertonen deze eigenaardigheid van de kwantummechanica doorgaans alleen bij zeer lage temperaturen – een paar graden hoger. Absolute nulpunt – Om het onpraktisch te maken.

Een onderzoeksteam onder leiding van Philip Kim, hoogleraar natuurkunde en toegepaste natuurkunde aan Harvard, heeft een nieuwe strategie gedemonstreerd voor het maken en manipuleren van een breed bestudeerde klasse van hoge-temperatuur-supergeleiders, cuprates genaamd, die de weg vrijmaakt voor het ontwikkelen van nieuwe en ongebruikelijke vormen van supergeleiding op plaatsen waar nooit Vroeger was het niet mogelijk om dit te bereiken. Materiaal.

Met behulp van een unieke methode om apparaten voor lage temperaturen te vervaardigen, schreven Kim en zijn team hun rapport in het tijdschrift Wetenschappen Een veelbelovende kandidaat voor ’s werelds eerste supergeleidende diode op hoge temperatuur – in wezen een schakelaar die de stroom in één richting laat stromen – is gemaakt van dunne koperkristallen. In theorie zou een dergelijk apparaat opkomende industrieën zoals quantum computing kunnen voeden, die afhankelijk zijn van voorbijgaande mechanische verschijnselen die moeilijk te onderhouden zijn.

Grafische weergave van een gedraaide en gestapelde koperen supergeleider, met bijbehorende achtergrondgegevens. Fotografie: Lucy Yip, Yoshi Saito, Alex Cui, Frank Chow

“Supergeleidende diodes op hoge temperatuur zijn feitelijk mogelijk, zonder de toepassing van magnetische velden, en openen nieuwe deuren voor onderzoek naar het bestuderen van exotische materialen”, zei Kim.

Cuprates zijn koperoxiden die decennia geleden de wereld van de natuurkunde op zijn kop zetten door aan te tonen dat ze supergeleidend worden bij temperaturen die veel hoger zijn dan theoretici hadden gedacht, en ‘hoger’ is een relatieve term (het huidige record voor een koperen supergeleider is -225). . F). Maar het manipuleren van deze materialen zonder hun supergeleidende fasen te vernietigen is zeer complex vanwege hun complexe elektronische en structurele eigenschappen.

De experimenten van het SY-team werden geleid door Frank Zhao, een voormalig student aan de Griffin Graduate School of Arts and Sciences en nu een postdoctoraal onderzoeker bij Griffin. Massachusetts Institute of Technology. Met behulp van een airless cryogene kristalverwerkingsmethode in zeer zuiver argon ontwierp Zhao een schoon grensvlak tussen twee extreem dunne lagen koper, calcium, bismut en strontiumoxide, bijgenaamd BSCCO (“bisco”). BSCCO wordt beschouwd als een “hoge temperatuur”-supergeleider omdat het begint te supergeleiden bij ongeveer 288 graden Fahrenheit – erg koud volgens praktische normen, maar verrassend hoog onder supergeleiders, die doorgaans moeten worden gekoeld tot ongeveer –400 graden Fahrenheit.

Zhao verdeelde de BSCCO eerst in twee lagen, elk een duizendste van de breedte van een mensenhaar. Vervolgens stapelde hij de twee lagen bij een temperatuur van -130 graden in een hoek van 45 graden, als een ijssandwich met de chips verkeerd uitgelijnd, terwijl de supergeleiding op het broze grensvlak behouden bleef.

Het team ontdekte dat de maximale superstroom die zonder weerstand over het grensvlak kan stromen, varieert met de richting van de stroom. Cruciaal is dat het team ook elektronische controle van de grensvlakkwantumtoestand demonstreerde door deze polariteit om te keren. Het was deze controle die hen feitelijk in staat stelde een op hoge temperatuur schakelbare supergeleidende diode te maken, een demonstratie van fundamentele natuurkunde die op een dag zou kunnen worden opgenomen in een stukje computertechnologie, zoals een kwantumbit.

“Dit is een startpunt bij het bestuderen van topologische fasen, die worden gekenmerkt door kwantumtoestanden die beschermd zijn tegen defecten,” zei Zhao.

Referentie: “Time Reversal Symmetry Breaking Superconductivity Between Twisted Copper Superconductors” door SY Frank Zhao, Xiaomeng Cui, Pavel A. Volkov, Hyobin Yoo, Sangmin Lee, Jules A. Gardener, Austin J. Akey, Rebecca Engelke, Yuval Ronen, Ruidan Chung , Jinda Guo, Stefan Plug, Taron Tomorrow, Myung Kim, Marcel Franz, Jedediah H. Pixley, Nicola Buccia en Philip Kim, 7 december 2023, Wetenschappen.
doi: 10.1126/science.abl8371

Het Harvard-team werkte samen met collega’s Marcel Franz van de Universiteit van British Columbia en Jed Pixley van de Rutgers Universiteit, wiens team eerder rigoureuze theoretische berekeningen had uitgevoerd. En hij verwachtte Gedrag van de koperen supergeleider in A Wijde selectie Vanuit torsiehoeken. Het verzoenen van experimentele observaties vereist ook nieuwe theoretische ontwikkelingen, ondernomen door Pavel A. Volkov van de Universiteit van Connecticut.

Het onderzoek werd gedeeltelijk ondersteund door de National Science Foundation, het ministerie van Defensie en het ministerie van Energie.