Сверхпроводящие изображения на самом деле являются трехмерными фракталами, управляемыми беспорядком
Физики-теоретики оценили изображения (с высоким разрешением) расположения электронов в сверхпроводнике BSCO и определил, что эти изображения действительно являются фрактальными. Было обнаружено, что они простираются во всё трехмерное пространство, занимаемое материалом, подобно пространству, заполняющему дерево. То, что когда-то считалось случайными дисперсиями в фрактальных изображениях, является преднамеренным и это связано не с лежащим в основе квантовым фазовым переходом, как ожидалось, а с фазовым переходом, вызванным беспорядком.
Фракталы — это бесконечный узор, который вы можете увеличивать, а изображение не меняется. Фракталы могут существовать в двух измерениях, как иней на окне, или в трех измерениях, как ветки дерева. Недавнее открытие исследователей из Университета Пердью показало, что сверхпроводящие изображения, показанные выше красным и синим цветом, на самом деле являются фракталами, которые заполняют трехмерное пространство и управляются беспорядком, а не квантовыми флуктуациями, как ожидалось. Изображения мороза и дерева от Adobe. Сверхпроводящее изображение (в центре) из статьи «Критические нематические корреляции во всем диапазоне сверхпроводящего легирования в Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x» в Nature Communications.
Кредит:Связь с природой (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-38249-3
Удовлетворение мировых потребностей в энергии достигает критической точки. Энергия технологического века вызвала проблемы во всем мире. Все более важным становится создание сверхпроводников, способных работать при атмосферном давлении и температуре. Это будет иметь большое значение для решения энергетического кризиса.
Достижения в области сверхпроводимости зависят от достижений в области квантовых материалов . Когда электроны внутри квантовых материалов претерпевают фазовый переход, электроны могут образовывать сложные узоры, такие как фракталы. Фрактал — это бесконечный паттерн. При увеличении фрактала изображение выглядит так же. Обычно видимыми фракталами могут быть дерево или иней на оконном стекле зимой. Фракталы могут формироваться в двух измерениях, как иней на окне, или в трехмерном пространстве, как ветки дерева.
Доктор Эрика Карлсон, 150-летний профессор физики и астрономии в Университете Пердью, возглавляла группу, которая разработала теоретические методы для характеристики фрактальных форм, которые создают эти электроны, чтобы раскрыть лежащую в основе физику, определяющую закономерности.
Карлсон, физик-теоретик, оценил изображения с высоким разрешением расположения электронов в сверхпроводнике Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x (BSCO) и определил, что эти изображения действительно являются фрактальными, и обнаружил, что они простираются во все трехмерное пространство, занимаемое материалом, подобно пространству, заполняющему дерево.
То, что когда-то считалось случайными дисперсиями в фрактальных изображениях, является преднамеренным и, что шокирует, связано не с лежащим в основе квантовым фазовым переходом, как ожидалось, а с фазовым переходом, вызванным беспорядком.
Карлсон возглавил совместную группу исследователей из нескольких учреждений и опубликовал их результаты под названием «Критические нематические корреляции во всем диапазоне сверхпроводящего легирования в Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x» в Nature Communications.
В команду входят ученые Purdue и учреждения-партнеры. Из Purdue в команду входят Карлсон, доктор Форрест Симмонс, недавний доктор философии, студент и бывший доктор философии, студенты доктор Шуо Лю и доктор Бенджамин Филлабаум. Команда Purdue завершила свою работу в Институте квантовой науки и инженерии Purdue (PQSEI). В команду партнерских учреждений входят д-р Дженнифер Хоффман, д-р Кан-Ли Сонг, д-р Элизабет Мейн из Гарвардского университета, д-р Карин Дамен из Университета Урбана-Шампейн и д-р Эрик Хадсон из Университета штата Пенсильвания.
«Наблюдение фрактальных структур ориентационных («нематических») доменов, ловко извлеченных Карлсоном и его сотрудниками из СТМ-изображений поверхностей кристаллов купратного высокотемпературного сверхпроводника, само по себе интересно и эстетически привлекательно, но также имеет важное фундаментальное значение и важность понимания основных физических свойств этих материалов», — говорит доктор Стивен Кивелсон, семейный профессор Прабху Гоэла в Стэнфордском университете и физик-теоретик, специализирующийся на новых электронных состояниях в квантовых материалах. «Некоторая форма нематического порядка, обычно считающаяся воплощением более примитивного порядка волн зарядовой плотности, была выдвинута гипотезой, играющей важную роль в теории купратов, но доказательства в пользу этого предположения ранее были Два важных вывода следуют из анализа Карлсона и др.: 1) Тот факт, что нематические домены кажутся фрактальными, подразумевает, что корреляционная длина — расстояние, на котором нематический порядок поддерживает когерентность — больше, чем поле зрения эксперимента, что означает, что он очень велик по сравнению с другими микроскопическими масштабами.
Изображения этих фракталов в высоком разрешении были тщательно получены в лаборатории Хоффмана в Гарвардском университете и лаборатории Хадсона, которая сейчас находится в Пенсильвании, с использованием сканирующих туннельных микроскопов (СТМ) для измерения электронов на поверхности BSCO, купратного сверхпроводника. Микроскоп сканирует атом за атомом на верхней поверхности BSCO, и они обнаружили, что полосы ориентированы в двух разных направлениях, а не в одном направлении. Результат, показанный выше красным и синим цветом, представляет собой зубчатое изображение, которое образует интересные узоры ориентации электронных полос.
«Электронные узоры сложные, с отверстиями внутри отверстий и краями, напоминающими филигрань», — объясняет Карлсон. «Используя методы фрактальной математики, мы характеризуем эти формы с помощью фрактальных чисел. Кроме того, мы используем методы статистики фазовых переходов, чтобы охарактеризовать такие вещи, как количество кластеров определенного размера и вероятность того, что сайты находятся в одном кластере."
Когда группа Карлсона проанализировала эти закономерности, они обнаружили удивительный результат. Эти узоры формируются не только на поверхности, как фрактальное поведение плоского слоя, но и заполняют пространство в трех измерениях. Моделирование этого открытия было проведено в Университете Пердью с использованием суперкомпьютеров Purdue в Центре перспективных вычислений Розена. Образцы с пятью различными уровнями легирования были измерены в Гарварде и Пенсильвании, и результат был одинаковым для всех пяти образцов.
Уникальное сотрудничество между Иллинойсом (Дахмен) и Пердью (Карлсон) перенесло кластерные методы из неупорядоченной статистической механики в область квантовых материалов, таких как сверхпроводники. Группа Карлсона адаптировала эту технику для применения к квантовым материалам, расширив теорию фазовых переходов второго рода на электронные фракталы в квантовых материалах.
«Это приближает нас на один шаг к пониманию того, как работают купратные сверхпроводники», — объясняет Карлсон. «Члены этого семейства сверхпроводников в настоящее время являются сверхпроводниками с самой высокой температурой, которые возникают при атмосферном давлении. Если бы мы могли получить сверхпроводники, которые работают при атмосферном давлении и температуре, мы могли бы пройти долгий путь к решению энергетического кризиса, потому что провода, которые мы в настоящее время используем для электроника работает из металлов, а не из сверхпроводников. В отличие от металлов, сверхпроводники идеально проводят ток без потери энергии. С другой стороны, все провода, которые мы используем в наружных линиях электропередач, используют металлы, которые теряют энергию на протяжении всего времени, пока по ним течет ток. также представляют интерес, поскольку их можно использовать для создания очень сильных магнитных полей и для магнитной левитации.
Следующие шаги группы Карлсона заключаются в применении кластерных методов Карлсона-Дамена к другим квантовым материалам.
«Используя эти кластерные методы, мы также идентифицировали электронные фракталы в других квантовых материалах, включая диоксид ванадия (VO2) и никелаты неодима (NdNiO3). Мы подозреваем, что такое поведение может быть довольно повсеместным в квантовых материалах», — говорит Карлсон.
Этот тип открытия приближает квантовых ученых к разгадке загадок сверхпроводимости.
«Общая область квантовых материалов направлена на то, чтобы вывести квантовые свойства материалов на передний план, чтобы мы могли контролировать их и использовать в технологиях», — объясняет Карлсон. «Каждый раз, когда открывается или создается новый тип квантового материала, мы получаем новые возможности, столь же впечатляющие, как художники, открывающие новый цвет для рисования».
