Η έρευνα διαπιστώνει ότι το σπάνιο μέταλλο θα μπορούσε να προσφέρει επαναστατικό διακόπτη για μελλοντικές κβαντικές συσκευές

Οι κβαντικοί επιστήμονες ανακάλυψαν ένα σπάνιο φαινόμενο που θα μπορούσε να είναι το κλειδί για τη δημιουργία ενός «τέλειου διακόπτη» σε κβαντικές συσκευές, μεταβαίνοντας από μονωτή σε υπεραγωγό.

Η έρευνα, με επικεφαλής το Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ και δημοσιεύτηκε στο Επιστήμηανακάλυψε ότι αυτές οι δύο αντίθετες ηλεκτρονικές καταστάσεις υπάρχουν στον ιώδες μπρούτζο, ένα μοναδικό μονοδιάστατο μέταλλο που αποτελείται από αλυσίδες μεμονωμένων αγώγιμων ατόμων.

Μικρές αλλαγές στο υλικό, για παράδειγμα, που προκαλούνται από ένα μικρό ερέθισμα όπως η θερμότητα ή το φως, μπορούν να πυροδοτήσουν μια στιγμιαία μετάβαση από μια κατάσταση μόνωσης με μηδενική αγωγιμότητα σε μια κατάσταση υπεραγώγιμης με απεριόριστη αγωγιμότητα και αντίστροφα. Αυτή η πολωμένη ευελιξία, γνωστή ως «αναδυόμενη συμμετρία», έχει τη δυνατότητα να παρέχει έναν ιδανικό διακόπτη on/off σε μελλοντικές εξελίξεις στην κβαντική τεχνολογία.

Ο επικεφαλής συγγραφέας Nigel Hussey, καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ, δήλωσε: «Αυτή είναι μια πραγματικά συναρπαστική ανακάλυψη που θα μπορούσε να είναι μια τέλεια μετάβαση για τις κβαντικές συσκευές του αύριο.

«Αυτό το αξιοσημείωτο ταξίδι ξεκίνησε πριν από 13 χρόνια στο εργαστήριό μου, όταν δύο διδακτορικοί φοιτητές, ο Xiaofeng Xu και ο Nick Wakeham, μέτρησαν τη μαγνητοαντίσταση (την αλλαγή στην αντίσταση που προκαλείται από ένα μαγνητικό πεδίο) του βιολετί μπρούτζου».

Ελλείψει μαγνητικού πεδίου, η αντίσταση του ιώδους μπρούτζου εξαρτιόταν σε μεγάλο βαθμό από την κατεύθυνση στην οποία εισήχθη το ηλεκτρικό ρεύμα. Η εξάρτησή του από τη θερμοκρασία ήταν επίσης αρκετά περίπλοκη. Γύρω από τη θερμοκρασία δωματίου η αντίσταση είναι μεταλλική, αλλά καθώς πέφτει η θερμοκρασία αντιστρέφεται και το υλικό φαίνεται να μετατρέπεται σε μονωτή. Στη συνέχεια, στις χαμηλότερες θερμοκρασίες, η αντίσταση πέφτει ξανά καθώς μεταμορφώνεται σε υπεραγωγό.

Παρά αυτή την πολυπλοκότητα, παραδόξως, η μαγνητοαντίσταση αποδείχθηκε εξαιρετικά απλή. Ήταν ουσιαστικά το ίδιο ανεξάρτητα από την κατεύθυνση που ήταν ευθυγραμμισμένο το ρεύμα ή το πεδίο και ακολουθούσε μια τέλεια γραμμική εξάρτηση από τη θερμοκρασία από τη θερμοκρασία δωματίου στη θερμοκρασία μετάβασης υπεραγώγιμου.

“Δεν βρίσκοντας καμία συνεκτική εξήγηση για αυτήν την αινιγματική συμπεριφορά, τα δεδομένα παρέμειναν αδρανοποιημένα και αδημοσίευτα για τα επόμενα επτά χρόνια. Μια τέτοια διακοπή είναι ασυνήθιστη στην κβαντική έρευνα, αν και ο λόγος δεν είναι η έλλειψη στατιστικών στοιχείων”, εξήγησε ο καθηγητής Hussey.

«Τέτοια απλότητα στη μαγνητική απόκριση διαψεύδει πάντα μια περίπλοκη προέλευση και αποδεικνύεται ότι η πιθανή επίλυσή της θα προέκυπτε μόνο μέσω μιας τυχαίας συνάντησης».

Το 2017, ο καθηγητής Hussey εργαζόταν στο Πανεπιστήμιο Radboud και είδε ένα σεμινάριο του φυσικού Dr Piotr Chudzinski με θέμα το ιώδες μπρούτζο. Εκείνη την εποχή, λίγοι ερευνητές αφιέρωσαν ένα ολόκληρο σεμινάριο σε αυτό το ελάχιστα γνωστό υλικό, που του κέντρισε το ενδιαφέρον.

Ο καθηγητής Hussey είπε: «Στο σεμινάριο, ο Chudzinski πρότεινε ότι η αύξηση της αντίστασης θα μπορούσε να προκληθεί από παρεμβολή μεταξύ ηλεκτρονίων αγωγιμότητας και αόριστων σύνθετων σωματιδίων γνωστά ως σκοτεινά εξιτόνια. Μιλήσαμε μετά το σεμινάριο και μαζί προτείναμε ένα πείραμα για να ελέγξουμε τη θεωρία του. οι μετρήσεις ουσιαστικά το επιβεβαίωσαν.

Βασιζόμενος σε αυτή την επιτυχία, ο καθηγητής Hussey ανέστησε τα δεδομένα της μαγνητοαντίστασης του Xu και του Wakeham και τα έδειξε στον Δρ Chudzinski. Τα δύο κεντρικά χαρακτηριστικά των δεδομένων – η γραμμικότητα με τη θερμοκρασία και η ανεξαρτησία του ρεύματος και του προσανατολισμού πεδίου – κέντρισαν το ενδιαφέρον του Chudzinski, όπως και το γεγονός ότι το ίδιο το υλικό μπορούσε να παρουσιάσει τόσο μονωτική όσο και υπεραγώγιμη συμπεριφορά ανάλογα με τον τρόπο καλλιέργειας του υλικού.

Ο Δρ Τσουντζίνσκι αναρωτήθηκε εάν, αντί να μεταμορφωθεί πλήρως σε μονωτή, η αλληλεπίδραση μεταξύ των φορέων φορτίου και των εξιτονίων που είχε εισαγάγει νωρίτερα θα μπορούσε να αναγκάσει τους πρώτους να έλκονται προς το όριο μεταξύ του μονωτή και των υπεραγώγιμων καταστάσεων καθώς πέφτει η θερμοκρασία. Στο ίδιο το όριο, η πιθανότητα το σύστημα να είναι μονωτής ή υπεραγωγός είναι ουσιαστικά η ίδια.

Ο καθηγητής Hussey είπε: «Τέτοια φυσική συμμετρία είναι μια ασυνήθιστη κατάσταση πραγμάτων και η ανάπτυξη τέτοιας συμμετρίας σε ένα μέταλλο καθώς μειώνεται η θερμοκρασία, εξ ου και ο όρος «αναδυόμενη συμμετρία», θα ήταν παγκόσμια πρωτιά.

Οι φυσικοί γνωρίζουν καλά το φαινόμενο της διακοπής της συμμετρίας: τη μείωση της συμμετρίας ενός ηλεκτρονικού συστήματος κατά την ψύξη. Η πολύπλοκη διάταξη των μορίων του νερού σε έναν κρύσταλλο πάγου είναι ένα παράδειγμα τέτοιας διακεκομμένης συμμετρίας. Το αντίθετο όμως είναι ένα εξαιρετικά σπάνιο φαινόμενο, για να μην πω μοναδικό. Επιστρέφοντας στην αναλογία νερού/πάγου, είναι λες και ψύχοντας περαιτέρω τον πάγο, η πολυπλοκότητα των κρυστάλλων πάγου «λιώνει» ξανά σε κάτι τόσο συμμετρικό και λείο όσο μια σταγόνα νερού.

Ο Δρ Chudzinski, τώρα ερευνητής στο Queen’s University Belfast, είπε: «Φανταστείτε ένα μαγικό κόλπο στο οποίο μια θαμπή, παραμορφωμένη φιγούρα μεταμορφώνεται σε μια όμορφη, απόλυτα συμμετρική σφαίρα. Αυτή είναι, με μια λέξη, η ουσία της αναδυόμενης συμμετρίας. εν λόγω είναι το υλικό μας, ο μωβ μπρούτζος, ενώ ο μάγος μας είναι η ίδια η φύση.

Για να ελεγχθεί περαιτέρω εάν η θεωρία είχε νερό, 100 επιπλέον μεμονωμένοι κρύσταλλοι, μερικοί μονωτές και μερικοί υπεραγωγοί, μελετήθηκαν από έναν άλλο διδακτορικό φοιτητή. φοιτητής, Maarten Berben, που εργάζεται στο Πανεπιστήμιο Radboud.

Ο καθηγητής Hussey πρόσθεσε: «Μετά την Ηράκλεια προσπάθεια του Maarten, η ιστορία τελείωσε και έγινε σαφές γιατί διαφορετικοί κρύσταλλοι είχαν τόσο διαφορετικές βασικές καταστάσεις. Στο μέλλον, μπορεί να είναι δυνατό να εκμεταλλευτεί αυτή τη «νευρικότητα» για να δημιουργήσει διακόπτες σε κβαντικά κυκλώματα στα οποία μικροσκοπικά ερεθίσματα προκαλούν βαθιές αλλαγές πολλών τάξεων μεγέθους στην αντίσταση του διακόπτη.