Naukowcy kwantowi odkryli zjawisko w purpurowym brązie, jednowymiarowym metalu, które pozwala mu przełączać się między stanem izolującym a nadprzewodzącym. To przełączanie, spowodowane minimalnymi bodźcami, takimi jak ciepło lub światło, wynika z „wyłaniającej się symetrii”. To pionierskie odkrycie, które rozpoczęło się od badań nad magnetooporem metalu, może doprowadzić do opracowania doskonałych przełączników w urządzeniach kwantowych, co stanowi potencjalny kamień milowy w technologii kwantowej.
Naukowcy kwantowi odkryli zjawisko w fioletowym brązie, które może być kluczem do opracowania „idealnego przełącznika” w urządzeniach kwantowych, które przełączają się między funkcją izolatora a nadprzewodnikiem.
Badania przeprowadzone na Uniwersytecie w Bristolu i opublikowane w NaukiTe dwa przeciwstawne stany elektroniczne można znaleźć w fioletowym brązie, unikalnym jednowymiarowym metalu złożonym z łańcuchów pojedynczych atomów przewodzących.
Na przykład niewielkie zmiany w materiale, wywołane niewielkim bodźcem, takim jak ciepło lub światło, mogą wywołać natychmiastowe przejście ze stanu izolacyjnego o zerowej przewodności do nadprzewodnika o nieograniczonej przewodności i odwrotnie. Ta różnorodność polaryzacji, znana jako „wyłaniająca się symetria”, może potencjalnie zapewnić doskonały włącznik/wyłącznik w przyszłym rozwoju technologii kwantowej.
Zdjęcie przedstawia wyłaniającą się symetrię, pokazując idealnie symetryczną kroplę wody wynurzającą się z warstwy lodu. Natomiast kryształki lodu w śniegu mają złożony kształt i dlatego są mniej symetryczne niż kropla wody. Fioletowy kolor wskazuje fioletowo-brązowy materiał, w którym odkryto to zjawisko. Źródło: Uniwersytet w Bristolu
13-letnia podróż
Główny autor Nigel Hussey, profesor fizyki na Uniwersytecie im Uniwersytet w Bristolu„To naprawdę ekscytujące odkrycie, które może stanowić doskonały klucz do przyszłych urządzeń kwantowych” – powiedział.
„Fascynująca podróż rozpoczęła się 13 lat temu w moim laboratorium, kiedy dwóch doktorantów, Xiaofeng Xu i Nick Wickham, zmierzyło magnetoopór – zmianę rezystancji spowodowaną polem magnetycznym – fioletowego brązu”.
W przypadku braku pola magnetycznego opór fioletowego brązu był w dużym stopniu zależny od kierunku, w którym wpłynął prąd elektryczny. Jego zależność od temperatury była również złożona. W temperaturze pokojowej oporność jest metaliczna, ale wraz ze spadkiem temperatury sytuacja się odwraca i materiał wydaje się zamieniać w izolator. Następnie, w najniższych temperaturach, opór ponownie maleje, przekształcając się w nadprzewodnik. Pomimo tej złożoności magnetoopór jest zaskakująco prosty. Było ono zasadniczo takie samo niezależnie od kierunku, w którym ułożony był prąd lub pole, i przebiegało według doskonałej liniowej zależności od temperatury od temperatury pokojowej aż do temperatury przejścia w stan nadprzewodzący.
„Nie udało się znaleźć żadnego spójnego wyjaśnienia tego zagadkowego zachowania, a dane pozostawały uśpione i niepublikowane przez następne siedem lat. Taka luka jest niczym niezwykłym w badaniach kwantowych, chociaż powodem tego nie był brak statystyk” – profesor Hussey wyjaśnione.
„Taka prostota odpowiedzi magnetycznej zawsze kryje się za złożonym pochodzeniem i jak się okazuje, potencjalne rozwiązanie nastąpi jedynie w wyniku przypadkowego spotkania”.
Przypadkowe spotkanie prowadzi do przełomu
W 2017 roku profesor Hussey, pracując na Uniwersytecie Radboud, natknął się na reklamę seminarium fizyka dr Piotra Chudzińskiego na temat brązu fioletowego. W tamtym czasie niewielu badaczy poświęciło całe sympozjum tej nieznanej substancji, co wzbudziło jego zainteresowanie.
Profesor Hussey powiedział: „Na sympozjum Chudziński zasugerował, że wysoki opór może być spowodowany zakłóceniami między elektronami przewodzącymi a nieuchwytnymi cząstkami kompozytowymi, zwanymi „ciemnymi ekscytonami”. Po sympozjum rozmawialiśmy i wspólnie zaproponowaliśmy eksperyment mający na celu sprawdzenie jego teorii. Nasze kolejne pomiary zasadniczo to potwierdziły.”
Dzięki temu sukcesowi profesor Hussey odtworzył dane Shawa i Wakehama dotyczące magnetooporu i przedstawił je dr Chudzińskiemu. Dwie kluczowe cechy danych – liniowość z temperaturą oraz niezależność od kierunku i pola prądu – zaintrygowały Chudzińskiego, podobnie jak fakt, że ten sam materiał może wykazywać właściwości izolacyjne i nadprzewodzące, w zależności od tego, jak materiał rośnie.
Dr Chudziński zastanawiał się, czy przedstawione wcześniej oddziaływanie między nośnikami ładunku i ekscytonami, zamiast całkowicie przekształcić się w izolację, może spowodować, że w miarę spadku temperatury te pierwsze będą grawitować w stronę granicy między stanami izolującymi i nadprzewodzącymi. Przy tych samych granicach prawdopodobieństwo, że układ będzie izolatorem lub nadprzewodnikiem, jest zasadniczo takie samo.
Profesor Hussey powiedział: „Taka symetria fizyczna jest stanem niezwykłym i rozwinięcie takiej symetrii w metalu w miarę spadku temperatury, stąd termin „symetria wyłaniająca się”, byłoby czymś nowym na świecie”.
Fizycy dobrze znają zjawisko łamania symetrii: obniżania się symetrii układu elektronów podczas chłodzenia. Przykładem złamanej symetrii jest złożony układ cząsteczek wody w krysztale lodu. Ale odwrotnie, jest to niezwykle rzadkie, jeśli nie wyjątkowe wydarzenie. Wracając do analogii woda/lód, wygląda to tak, jakby po dalszym ochłodzeniu lodu złożoność kryształków lodu „stopiła się” z powrotem w coś spójnego i gładkiego jak kropla wody.
Pojawiająca się symetria: rzadkie zjawisko
Doktor Chudziński, obecnie pracownik naukowy na Queen’s University w Belfaście, powiedział: „Wyobraźcie sobie magiczną sztuczkę, w której matowy, zniekształcony kształt przekształca się w piękną, idealnie symetryczną kulę. Krótko mówiąc, jest to istota wyłaniającej się symetrii. Osoba w kwestia dotyczy naszego materiału, fioletowego brązu, podczas gdy naszym magiem jest sama natura.
Aby dokładniej sprawdzić, czy teoria zawiera wodę, inny doktorant, Martin Berbin, który pracuje na Uniwersytecie Radboud, zbadał dodatkowych 100 pojedynczych kryształów, niektóre izolujące, a inne nadprzewodzące.
Profesor Hussey dodał: „Po gigantycznych wysiłkach Martina historia jest kompletna i powód, dla którego różne kryształy wydają się mieć tak zupełnie różne stany podstawowe, staje się jasny. Patrząc w przyszłość, możliwe będzie wykorzystanie tej „nowości” do tworzenia przełączników w obwody kwantowe, w których wyzwalane są małe bodźce Głębokie zmiany rezystancji przełączania o dużej wielkości.
Odniesienie: „Emerging symetry in a low-wymiarowy nadprzewodnik na krawędzi Mottness”: P. Chudzinski, M. Berben, Xiaofeng Xu, N. Wakeham, B. Bernáth, C. Duffy, R. D. H. Hinlopen, Yu-Te Hsu, S. Weidmana, B. Tinnemans, Rongying Jin, M. Greenblatt, N. E. Hussey, 16 listopada 2023 r., Nauki.
doi: 10.1126/science.abp8948