Kvantu zinātnieki ir atklājuši fenomenu purpursarkanā bronzā, viendimensijas metālā, kas ļauj tai pārslēgties starp izolācijas un supravadīšanas stāvokli. Šī pārslēgšanās, ko izraisa minimāli stimuli, piemēram, siltums vai gaisma, ir saistīta ar “pastāvošo simetriju”. Šis novatoriskais atklājums, kas sākās ar metāla magnētiskās pretestības izpēti, varētu novest pie perfektu slēdžu izstrādes kvantu ierīcēs, kas ir potenciāls pavērsiens kvantu tehnoloģijā.
Kvantu zinātnieki ir atklājuši fenomenu purpursarkanajā bronzā, kas varētu būt galvenais, lai izstrādātu “ideālu slēdzi” kvantu ierīcēs, kas pārslēdzas starp izolatoru un supravadītāju.
Pētījumu veica Bristoles Universitāte un publicēja ZinātnesŠie divi pretējie elektroniskie stāvokļi ir atrodami purpursarkanā bronzā, unikālā viendimensijas metālā, kas sastāv no atsevišķu vadošu atomu ķēdēm.
Piemēram, nelielas izmaiņas materiālā, ko izraisa neliels stimuls, piemēram, siltums vai gaisma, var izraisīt momentānu pāreju no izolācijas stāvokļa ar nulles vadītspēju uz supravadītāju ar neierobežotu vadītspēju un otrādi. Šai polarizācijas daudzveidībai, kas pazīstama kā “jaunā simetrija”, ir potenciāls nodrošināt perfektu ieslēgšanas/izslēgšanas slēdzi turpmākajā kvantu tehnoloģiju attīstībā.
Attēlā parādīta topošās simetrijas attēlojums, kas parāda perfekti simetrisku ūdens pilienu, kas izplūst no ledus slāņa. Turpretim ledus kristāliem sniegā ir sarežģīta forma, un tāpēc tie ir mazāk simetriski nekā ūdens piliens. Violetā krāsa norāda uz purpura-bronzas materiālu, kurā šī parādība tika atklāta. Kredīts: Bristoles Universitāte
13 gadu ceļojums
Vadošais autors Naidžels Husijs, fizikas profesors universitātē Bristoles Universitāte“Tas ir patiešām aizraujošs atklājums, kas varētu nodrošināt ideālu atslēgu nākotnes kvantu ierīcēm,” viņš teica.
“Aizraujošais ceļojums sākās pirms 13 gadiem manā laboratorijā, kad divi doktoranti Xiaofeng Xu un Nick Wickham izmērīja purpursarkanās bronzas magnētisko pretestību – magnētiskā lauka izraisītās pretestības izmaiņas.”
Ja nebija magnētiskā lauka, purpursarkanās bronzas pretestība bija ļoti atkarīga no virziena, kurā ieplūda elektriskā strāva. Arī tā temperatūras atkarība bija sarežģīta. Istabas temperatūrā pretestība ir metāliska, bet, temperatūrai samazinoties, tas mainās un šķiet, ka materiāls pārvēršas par izolatoru. Tad zemākajās temperatūrās pretestība atkal samazinās, jo tā pārvēršas supravadītājā. Neskatoties uz šo sarežģītību, magnētiskā pretestība ir pārsteidzoši vienkārša. Tas būtībā bija vienāds neatkarīgi no virziena, kurā strāva vai lauks tika izlīdzināts, un sekoja perfektai lineārai temperatūras atkarībai no istabas temperatūras līdz supravadītāja pārejas temperatūrai.
“Šai mulsinošajai uzvedībai nevarēja atrast sakarīgu skaidrojumu, un dati palika neaktīvi un nepublicēti nākamos septiņus gadus. Šāda plaisa kvantu pētījumos ir neparasta, lai gan iemesls tam nebija statistikas trūkums,” profesors Hussey. paskaidroja.
“Šāda magnētiskās reakcijas vienkāršība vienmēr atspēko sarežģītu izcelsmi, un, kā izrādās, tās iespējamais risinājums radīsies tikai nejaušas tikšanās rezultātā.”
Nejauša tikšanās noved pie izrāviena
2017. gadā profesors Husejs strādāja Radbūda universitātē un ieraudzīja sludinājumu par fiziķa doktora Pjotra Čudzinska semināru par purpursarkanās bronzas tēmu. Tajā laikā tikai daži pētnieki šai nezināmajai vielai veltīja veselu simpoziju, tāpēc viņa interese bija izraisījusi.
Profesors Hussey teica: “Simpozijā Čudzinskis norādīja, ka lielo pretestību varētu izraisīt traucējumi starp vadītspējas elektroniem un nenotveramām kompozītmateriālu daļiņām, kas pazīstamas kā “tumšie eksitoni”. Pēc simpozija mēs tērzējām un kopīgi ierosinājām eksperimentu, lai pārbaudītu viņa teoriju. Turpmākie mērījumi to būtībā apstiprināja.”
Pateicoties šiem panākumiem, profesors Hussey atdzīvināja Shaw un Wakeham magnētiskās pretestības datus un iepazīstināja tos ar Dr Chudzinski. Divas galvenās datu iezīmes — linearitāte ar temperatūru un neatkarība no strāvas virziena un lauka — ieinteresēja Chudzinski, kā arī fakts, ka vienam un tam pašam materiālam var būt izolācijas un supravadīšanas īpašības atkarībā no materiāla augšanas veida.
Dr Chudzinski domāja, vai mijiedarbība starp lādiņu nesējiem un eksitoniem, ko viņš prezentēja iepriekš, nevis pilnībā pārvēršas izolācijā, var izraisīt lādiņu nesēju gravitāciju uz robežu starp izolācijas un supravadīšanas stāvokļiem, temperatūrai pazeminoties. Pie tām pašām robežām varbūtība, ka sistēma būs izolators vai supravadītājs, būtībā ir vienāda.
Profesors Hussey teica: “Šāda fiziskā simetrija ir neparasts gadījums, un šādas simetrijas attīstīšana metālā, temperatūrai pazeminoties, līdz ar to termins “pastāvošā simetrija”, būtu pasaulē pirmais gadījums.”
Fiziķiem ir labi zināms simetrijas pārrāvuma fenomens: elektronu sistēmas simetrijas pazemināšanās pēc dzesēšanas. Sarežģītais ūdens molekulu izvietojums ledus kristālā ir šīs salauztās simetrijas piemērs. Bet pretējais ir ārkārtīgi reta, ja ne unikāla parādība. Atgriežoties pie ūdens/ledus analoģijas, šķiet, ka pēc ledus tālākas atdzesēšanas ledus kristālu sarežģītība “izkūst” atpakaļ par kaut ko konsekventu un gludu kā ūdens lāse.
Parādās simetrija: reta parādība
Dr Chudzinski, tagad Belfāstas Karalienes universitātes pētnieks, sacīja: “Iedomājieties burvju triku, kurā blāvi, izkropļota forma tiek pārveidota par skaistu, perfekti simetrisku sfēru. Īsāk sakot, tā ir jaunās simetrijas būtība. jautājums ir par mūsu materiālu, purpursarkano bronzu, savukārt mūsu burvis ir pati daba.”
Lai vēl vairāk pārbaudītu, vai teorija satur ūdeni, vēl 100 atsevišķus kristālus, no kuriem daži izolē un citi ir supravadītāji, pārbaudīja cits doktorants Martins Berbins, kurš strādā Radbouda universitātē.
Profesors Husejs piebilda: “Pēc Martina titāniskajiem centieniem stāsts ir pabeigts, un kļūst skaidrs iemesls, kāpēc dažādiem kristāliem, šķiet, ir tik pilnīgi atšķirīgi pamata stāvokļi. Raugoties nākotnē, iespējams, būs iespējams izmantot šo “jaunumu”, lai izveidotu slēdžus kvantu shēmas, kurās mazi stimuli izraisa dziļas, lielas izmaiņas pārslēgšanas pretestībā.
Atsauce: P. Chudzinski, M. Berben, Xiaofeng Xu, N. Wakeham, B. Bernáth, C. Duffy, R. D. H. Hinlopen, Yu-Te Hsu, S. Veidmens, B. Tinnemans, Rongyings Džins, M. Greenblatt, N. E. Hussey, 2023. gada 16. novembris, Zinātnes.
doi: 10.1126/science.abp8948
