Uniwersytet Harvarda prezentuje innowacyjne podejście do nadprzewodników wysokotemperaturowych

Metoda produkcji może ułatwić wykrywanie materiału.

• Zespół Harvardu kierowany przez Philipa Kima tworzy nadprzewodniki wysokotemperaturowe z wykorzystaniem miedzi.
• Opracował pierwszą na świecie zaawansowaną diodę nadprzewodzącą Statystyka ilościowa.
• Zademonstrować kierunkowy prąd nadprądowy i kontrolę stanów kwantowych w BSCCO.

Nadprzewodniki intrygują fizyków od dziesięcioleci. Ale te materiały, które pozwalają na doskonały i bezstratny przepływ elektronów, zwykle wykazują tę właściwość mechaniki kwantowej tylko w bardzo niskich temperaturach – o kilka stopni wyższych Zero absolutne – Żeby było to niepraktyczne.

Zespół badawczy kierowany przez profesora fizyki i fizyki stosowanej na Harvardzie Philipa Kima zademonstrował nową strategię wytwarzania i manipulowania szeroko badaną klasą nadprzewodników wysokotemperaturowych, zwanych miedzianami, torując drogę do inżynierii nowych i niezwykłych form nadprzewodnictwa w miejscach, w których nigdy wcześniej nie było to możliwe. Wcześniej nie można było tego osiągnąć. Materiał.

Stosując unikalną metodę wytwarzania urządzeń niskotemperaturowych, Kim i jego zespół napisali swój raport w czasopiśmie Nauki Obiecujący kandydat na pierwszą na świecie wysokotemperaturową diodę nadprzewodzącą – zasadniczo przełącznik powodujący przepływ prądu w jednym kierunku – jest wykonany z cienkich kryształów miedzi. Teoretycznie takie urządzenie mogłoby napędzać wschodzące gałęzie przemysłu, takie jak informatyka kwantowa, która opiera się na przejściowych zjawiskach mechanicznych, które są trudne do utrzymania.

Graficzne przedstawienie skręconego i ułożonego w stos miedzianego nadprzewodnika wraz z towarzyszącymi danymi tła. Zdjęcia: Lucy Yip, Yoshi Saito, Alex Cui, Frank Chow

„Wysokotemperaturowe diody nadprzewodzące są rzeczywiście możliwe bez stosowania pól magnetycznych i otwierają nowe drzwi do badań nad egzotycznymi materiałami” – powiedział Kim.

Miedziany to tlenki miedzi, które kilkadziesiąt lat temu wywróciły świat fizyki do góry nogami, pokazując, że stają się nadprzewodnikami w temperaturach znacznie wyższych, niż sądzili teoretycy, a „wyższa” to pojęcie względne (obecny rekord dla nadprzewodnika miedzianego wynosi -225). . F). Jednak manipulowanie tymi materiałami bez niszczenia ich faz nadprzewodzących jest bardzo złożone ze względu na ich złożone właściwości elektroniczne i strukturalne.

Eksperymentami zespołu SY kierował Frank Zhao, były student Griffin Graduate School of Arts and Sciences, a obecnie pracownik naukowy ze stopniem doktora w Griffin. Instytut Technologii w Massachusetts. Wykorzystując metodę bezpowietrznej obróbki kryształów kriogenicznych w argonie o wysokiej czystości, Zhao zaprojektował czystą granicę pomiędzy dwiema niezwykle cienkimi warstwami miedzi, wapnia, bizmutu i tlenku strontu, nazwaną BSCCO („bisco”). BSCCO jest uważany za nadprzewodnik „wysokotemperaturowy”, ponieważ zaczyna nadprzewodnictwo w temperaturze około 288 stopni Fahrenheita — bardzo niskiej jak na standardy praktyczne, ale zaskakująco wysokiej wśród nadprzewodników, którą zazwyczaj należy schłodzić do około -400 stopni Fahrenheita.

Zhao najpierw podzielił BSCCO na dwie warstwy, każda o grubości jednej tysięcznej szerokości ludzkiego włosa. Następnie, w temperaturze -130 stopni, ułożył obie warstwy pod kątem 45 stopni, jak kanapkę z lodami z źle ułożonymi chipsami, zachowując jednocześnie nadprzewodnictwo na kruchej granicy faz.

Zespół odkrył, że maksymalny nadprąd, który może przejść bez oporu przez interfejs, zmienia się w zależności od kierunku prądu. Co najważniejsze, zespół zademonstrował także elektroniczną kontrolę międzyfazowego stanu kwantowego poprzez odwrócenie tej polaryzacji. To właśnie ta kontrola umożliwiła im wyprodukowanie przełączanej w wysokiej temperaturze diody nadprzewodzącej, co stanowi demonstrację podstawowej fizyki, którą pewnego dnia będzie można włączyć do elementu technologii komputerowej, takiego jak bit kwantowy.

„To punkt wyjścia do badania faz topologicznych, które charakteryzują się stanami kwantowymi chronionymi przed defektami” – powiedział Zhao.

Odniesienie: „Symetria odwrócenia czasu łamania nadprzewodnictwa między skręconymi nadprzewodnikami miedzianymi” autorstwa SY Franka Zhao, Xiaomeng Cui, Pavela A. Volkova, Hyobina Yoo, Sangmina Lee, Julesa A. Gardenera, Austina J. Akeya, Rebecci Engelke, Yuvala Ronena, Ruidana Chunga , Jinda Guo, Stefan Plug, Taron Tomorrow, Myung Kim, Marcel Franz, Jedediah H. Pixley, Nicola Buccia i Philip Kim, 7 grudnia 2023 r., Nauki.
doi: 10.1126/science.abl8371

Zespół z Harvardu współpracował z kolegami Marcelem Franzem z Uniwersytetu Kolumbii Brytyjskiej i Jedem Pixleyem z Rutgers University, których zespół przeprowadził wcześniej rygorystyczne obliczenia teoretyczne. I spodziewał się Zachowanie nadprzewodnika miedzianego w A Szeroki zasięg Od kątów skrętu. Pogodzenie obserwacji eksperymentalnych wymaga także nowych opracowań teoretycznych, których podjął się Pavel A. Wołkowa z Uniwersytetu Connecticut.

Badania były częściowo wspierane przez Narodową Fundację Nauki, Departament Obrony i Departament Energii.