Ang mga nakamamanghang siyentipiko ay nagmamasid kung paano 2D puddles ng mga electron na kusang lumilitaw sa 3D superconducting material

Ang mga siyentipiko ng SLAC at Stanford ay naobserbahan ang mga puddles ng 2D superconductivity na lumitaw dahil sa isang hindi kinaugalian na 3D superconductor na nagsasagawa ng elektrisidad na may 100% na kahusayan sa hindi karaniwang mataas na temperatura. Ipinapahiwatig ng kanilang pag-aaral na ang tinaguriang “umuusbong” na pag-uugali ay maaaring kung paano muling ayusin ng 3D superconductors ang kanilang sarili bago ang isang matalim na paglipat sa isang nakahiwalay na estado kung saan ang mga electron ay nakasalalay ng mga atom ng bahay at hindi talaga makakagalaw. May-akda: Greg Stewart / National SLAC Accelerator Laboratory

Ito ay isang halimbawa ng kung paano ang mga kamangha-manghang mga pag-aari ay maaaring kusang maipakita sa mga kumplikadong materyales – isang kababalaghan na inaasahan ng mga siyentista na magamit para sa mga bagong teknolohiya.

Ang paglikha ng isang dalawang-dimensional na materyal maraming mga atoms na makapal ay madalas na isang mahirap na proseso na nangangailangan ng kumplikadong kagamitan. Kaya, nagulat ang mga siyentista nang maganap ang 2D puddles sa isang three-dimensional superconductor – isang materyal na nagpapahintulot sa mga electron na lumipat na may 100% na kahusayan at zero na paglaban – nang walang isang pahiwatig.

Sa loob ng mga puddle na ito, ang mga superconducting electron ay kumilos na parang nasa isang hindi kapani-paniwalang manipis, mala-dahon na eroplano, isang sitwasyon na hinihiling sa kanila na gumawa ng ilang paglipat sa isa pang dimensyon, kung saan nalalapat ang iba’t ibang mga patakaran ng physum na dami.

“Ito ay isang kaakit-akit na halimbawa ng mga umuusbong na pag-uugali na madalas mahirap o imposibleng gayahin kapag sinusubukang likhain ang mga ito mula sa simula,” sabi ni Harry Manaharan, isang propesor at mananaliksik ng Stanford University sa Stanford Institute of Materials and Energy Science (SIMES). sa National SLAC Accelerator Laboratory ng Department of Energy, na namuno sa pag-aaral.

“Para bang binigyan siya ng lakas ng superconductivity,” aniya. “Ang mga 3D electron ay pipiliin ang buhay sa mundo ng 2D.”

Tinawag ng pangkat ng pananaliksik ang bagong kababalaghan na “interdimensional superconductivity,” at ang ulat Mga pamamaraan sa National Academy of Science Sa Abril 12, 2021, naniniwala silang ganito ang pagsasaayos ng mga 3D superconductors bago ang pinakamamatalas na paglipat sa isang nakahiwalay na estado, kung saan ang mga electron ay nasa mga atom ng bahay at hindi talaga makakagalaw.

“Natagpuan namin ang isang sistema kung saan ang mga electron ay kumilos nang hindi inaasahan. Iyon ang kagandahan ng pisika, “sabi ni Caroline Parra, isang mag-aaral ng doktor sa SLAC at Stanford sa oras ng pag-aaral, na nagsagawa ng mga eksperimento na humantong sa pagpapakita ng nakakaintriga nitong resulta. “Napakasuwerte namin na makahanap ng gayong pag-uugali.”

Ang mga electron ay gumagana nang kamangha-mangha

Bagaman natuklasan ang superconductivity higit sa isang siglo na ang nakakalipas, ang pagiging kapaki-pakinabang nito ay nalimitahan ng katotohanang ang mga materyales ay naging superconducting lamang sa mga temperatura na malapit sa temperatura ng malalim na espasyo.

Kaya, ang anunsyo noong 1986 na natuklasan ng mga siyentista ang bago at hindi inaasahang klase ng mga superconducting na materyal na tumatakbo nang mas mataas – kahit na napakalamig – ng temperatura, na sanhi ng isang tsunami ng pananaliksik na nagpapatuloy hanggang ngayon, na may hangaring malaman kung paano ang mga bagong materyales gumana at bumuo ng mga bersyon na gumagana sa mga temperatura na mas malapit sa temperatura ng kuwarto, para sa mga application tulad ng perpektong mahusay na mga linya ng kuryente at mga tren ng maglev.

Ang pag-aaral na ito ay nagsimula sa isang superconductor na mataas ang temperatura na tinatawag na BPBO para sa apat na sangkap na atomic – barium, lead, bismuth at oxygen. Ito ay na-synthesize sa laboratoryo ng Propesor Stanford at SIMES mananaliksik na si Jan Fischer Paula Giraldo-Gal, pagkatapos ay isang nagtapos na mag-aaral.

Habang ang mga mananaliksik doon ay nagsagawa ng mga regular na pagsubok, kabilang ang pagtukoy ng temperatura ng paglipat kung saan ito gumagalaw sa pagitan ng mga superconducting at insulate phase – tulad ng tubig na nagiging singaw o yelo – napagtanto nila na ang kanilang datos ay nagpakita na ang mga electron ay kumilos na parang nilimitahan ng ultrathin, 2D mga layer o piraso sa materyal. Ito ay isang misteryo, dahil ang BPBO ay isang 3D superconductor na ang mga electron ay maaaring karaniwang lumipat sa anumang direksyon na gusto nila.

Naintriga, ang koponan ng Monaharan ay tiningnan nang malapitan sa isang pag-scan ng tunneling microscope o STM, isang aparato na maaaring makilala at kahit na ilipat ang mga indibidwal na atomo sa maraming itaas na mga layer ng atomic ng materyal.

Nakikipag-ugnay na mga puddles

Ang mga banda, natagpuan nila, ay tila walang kinalaman sa kung paano inayos ang mga atomo ng materyal, o sa mga maliliit na ulbok at paglubog sa ibabaw nito.

“Sa halip, ang mga banda ay mga layer kung saan kumikilos ang mga electron na parang nakakulong sa 2D, tulad ng puddle na mga lugar sa materyal,” sabi ni Para. “Ang distansya sa pagitan ng mga puddles ay sapat na maikli para sa mga electron na ‘makita’ at makipag-ugnay sa bawat isa sa isang paraan na pinapayagan silang lumipat nang walang paglaban, na kung saan ay isang palatandaan ng superconductivity.”

Carolina Mag-asawa

Si Carolina Parra (gitna), na bilang isang doktor ng gamot sa Stanford ay nagsagawa ng mga eksperimento na humantong sa pagpapakita ng mga nakakaintriga na mga resulta, ngayon ay namumuno sa isang laboratoryo sa Federico Santa Maria Technical University sa Valparaíso, Chile, na nakatuon sa mga disiplina na interdisiplina. Kamakailan ay nakatanggap siya ng isang gawad upang bumili at mapatakbo ang unang microscope ng tunneling na may mababang temperatura sa mundo sa Timog Amerika, na plano niyang gamitin upang ipagpatuloy ang linyang ito ng pagsasaliksik. May-akda: Larawan sa kabutihang loob ng pares ng Carolina

Lumitaw ang dalawang-dimensional na puddle nang maingat na inayos ng mga siyentista ang temperatura at iba pang mga kondisyon sa punto ng paglipat kung saan ang superconductor ay magiging isang insulator.

Ang kanilang mga obserbasyon ay malapit na tumutugma sa teorya ng “umuusbong na electron granulation” sa mga superconductor na binuo ni Nandini Trivedi ng Ohio State University at ng kanyang mga kasamahan.

“Ang mga hula na aming ginawa ay sumalungat sa karaniwang superconductor paradigm,” sabi ni Trivedi. “Karaniwan, mas malakas ang isang superconductor, mas maraming lakas ang kinakailangan upang masira ang tali sa pagitan ng superconducting na mga pares ng electron – isang kadahilanan na tinatawag nating break ng enerhiya. Ngunit hinulaan ng aking pangkat na sa partikular na uri ng mga hindi suportadong superconductors ito ay magiging kabaligtaran: ang sistema ay bubuo ng mga puddles kung saan ang superconductivity ay magiging malakas, ngunit ang mga butas ay maaaring masira mas mababa enerhiya kaysa sa inaasahan.

“Napakaganyak ng panonood ng mga hula na ito na nakumpirma ng mga sukat ng STM mula sa Stanford Group!”

Ang pagkalat ng agham

Ang mga resulta ay may praktikal na implikasyon para sa paglikha ng mga materyales sa 2D, sinabi ni Parra.

“Karamihan sa mga pamamaraan ng paggawa ng mga materyales sa 2D ay mga diskarte sa engineering, tulad ng lumalagong mga pelikula sa maraming mga layer ng atomic o paglikha ng isang matalim na magkasanib na pagitan ng dalawang mga materyales at nililimitahan ang estado ng 2D doon,” sinabi niya. “Nag-aalok ito ng isang karagdagang paraan upang makapunta sa mga superconductor ng 2D na ito. Ito ay mas mura, hindi mo kailangan ng magarbong kagamitan na nangangailangan ng napakababang temperatura, at hindi ito tumatagal ng mga araw at linggo. Ang mahirap lamang na bahagi ay upang makuha ang tamang komposisyon ng materyal. “

Si Parra ay namumuno ngayon sa isang laboratoryo sa Federico Santa Maria University of Technology sa Valparaíso, Chile, na nakatuon sa interdisiplinaryong pagsasaliksik sa mga materyal na biological na nanoscale. Kamakailan ay nakatanggap siya ng isang gawad upang bumili at mapatakbo ang unang microscope ng tunneling na may mababang temperatura sa mundo sa Timog Amerika, na plano niyang gamitin upang ipagpatuloy ang linyang ito ng pagsasaliksik.

“Kung mayroon akong kagamitan na ito sa lab,” sabi niya, “iko-link ko ito sa lahat ng natutunan ko sa lab ni Harry, at gagamitin ko ito upang turuan ang isang bagong henerasyon ng mga mananaliksik na gagana kaming gagana sa nanosciences at nanotechnologies. “Chile.

Impormasyon: Abril 12, 2021, Mga pamamaraan sa National Academy of Science.
DOI: 10.1073 / pnas.201781011

Ang pag-aaral ay pinondohan ng DOE Department of Science.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

82% ng Mga Tao na Na-ospital Sa COVID-19 Bumuo ng Mga Neurological Problems

Isinasaalang-alang ang tomography ng utak. Ang mga pasyente na may mga karamdaman na nagpapahiwatig ng neurological ay kasangkot COVID-19 anim na beses na mas malamang...

“Gobsmacked” – Ang Melanie Wood ng Harvard ay Naging Unang Babae na Nanalo ng $ 1M Waterman Award sa Math

Si Melanie Wood ang unang babaeng nanalo ng isang Waterman Award sa matematika. Kredito: Stephanie Mitchell / Harvard Staff Photographer Kinikilala para sa mga...

Bagong Pagong na Natagpuan sa Huling Cretaceous ng Madagascar

Ang pagbabagong-tatag ng buhay ng Sahonachelys mailakavava, umaatake sa Madagascan na palaka tadpoles na si Belzebufo ay nagprotesta gamit ang isang espesyal na diyeta...

Natuklasan ng mga siyentista na ang loob ng Saturn – ang makapal na layer ng helium – ay nakakaapekto sa magnetic field ng mga...

Ang magnetikong patlang ni Saturn na nakikita sa itaas. Credit-Ancate Barrick / Jones Hopkins University Ginagaya ng mga mananaliksik ang mga kondisyong kinakailangan para...

Lumilikha ang mga mananaliksik ng cybersecurity ng mas mahusay na kanaryo – gamit ang AI upang lumikha ng pekeng mga dokumento

Ang bagong artipisyal na sistema ng katalinuhan ay lumilikha ng mga pekeng dokumento upang linlangin ang mga kalaban. Sa panahon ng World War II, ang...

Newsletter

Subscribe to stay updated.