Dramatyczne postępy w komputerach kwantowych, smartfony, które trzeba ładować tylko raz w miesiącu, pociągi, które lewitują i poruszają się z superszybkimi prędkościami. Takie skoki technologiczne mogą zrewolucjonizować społeczeństwo, ale pozostają w dużej mierze poza zasięgiem, dopóki nadprzewodnictwo – przepływ elektryczności bez oporu i strat energii – nie zostanie w pełni poznane.

Jednym z głównych ograniczeń rzeczywistych zastosowań tej technologii jest to, że materiały, które umożliwiają nadprzewodnictwo, zazwyczaj muszą mieć bardzo niskie temperatury, aby osiągnąć ten poziom sprawności elektrycznej. Aby obejść ten limit, naukowcy muszą zbudować jasny obraz tego, jak różne materiały nadprzewodzące wyglądają w skali atomowej, gdy przechodzą przez różne stany materii, aby stać się nadprzewodnikami.

Naukowcy z laboratorium Brown University, współpracujący z międzynarodowym zespołem naukowców, zbliżyli się o mały krok do rozwiązania tej tajemnicy dla niedawno odkrytej rodziny nadprzewodzących metali Kagome. W nowym badaniu wykorzystali nową innowacyjną strategię łączącą jądrowy rezonans magnetyczny i teorię modelowania kwantowego, aby opisać mikroskopijną strukturę tego nadprzewodnika w temperaturze 103 stopni Kelvina, co odpowiada temperaturze około 275 stopni poniżej 0 stopni Fahrenheita.

Naukowcy opisali właściwości tego dziwacznego stanu materii dla tego, co uważa się za pierwszy raz w historii Badania przeglądu fizycznego. Ostatecznie odkrycia stanowią nowe osiągnięcie w stałym marszu w kierunku nadprzewodników działających w wyższych temperaturach. Nadprzewodniki, które mogą działać w temperaturze pokojowej (lub zbliżonej do niej), są uważane za świętego Graala fizyki materii skondensowanej ze względu na ogromne możliwości technologiczne, jakie otworzyłyby w zakresie wydajności energetycznej, w tym w przesyłaniu energii elektrycznej, transporcie i obliczeniach kwantowych.

„Jeśli kiedykolwiek zamierzasz coś zaprojektować i uczynić to komercyjnym, musisz wiedzieć, jak to kontrolować” – powiedziała profesor fizyki Brown Vesna Mitrović, która kieruje grupą NMR skondensowanej materii na uniwersytecie i jest współautorką nowego badanie. „Jak to opisać? Jak to ulepszyć, aby uzyskać to, czego chcemy? Cóż, pierwszym krokiem jest wiedzieć, jakie są mikroskopijne stany. Musisz zacząć budować pełny obraz tego. ”

Nowe badania skupiają się na nadprzewodniku RbV3Sb5, który składa się z metali rubidu, wanadu i antymonu. Materiał zyskał swoją nazwę ze względu na swoją szczególną strukturę atomową, która przypomina wzór splotu koszykowego z połączonymi ze sobą trójkątami w kształcie gwiazdy. Materiały Kagome fascynują badaczy ze względu na wgląd, jaki zapewniają w zjawiska kwantowe, łącząc dwie najbardziej podstawowe dziedziny fizyki — topologiczną fizykę kwantową i fizykę materii skondensowanej.

Wcześniejsze prace różnych grup ustaliły, że materiał ten przechodzi kaskadę różnych przejść fazowych, gdy temperatura jest obniżona, tworząc różne stany materii o różnych egzotycznych właściwościach. Kiedy ten materiał jest doprowadzany do 103 stopni Kelvina, struktura sieci zmienia się i materiał wykazuje tak zwaną falę gęstości ładunku, w której gęstość ładunku elektrycznego skacze w górę iw dół. Zrozumienie tych skoków jest ważne dla rozwoju teorii opisujących zachowanie elektronów w materiałach kwantowych, takich jak nadprzewodniki.

To, czego wcześniej nie widziano w tego rodzaju metalu Kagome, to jak wyglądała fizyczna struktura tej siatki i uporządkowanie ładunków w temperaturze, na którą patrzyli naukowcy, która jest najwyższym stanem temperaturowym, w którym metal zaczyna przechodzić między różnymi stanami materii .

Korzystając z nowej strategii łączącej pomiary NMR i teorię modelowania znaną jako teoria funkcjonału gęstości, która jest używana do symulacji struktury elektrycznej i położenia atomów, zespół był w stanie opisać nową strukturę, w którą zmienia się sieć, oraz jej falę gęstości ładunku.

Pokazali, że struktura przechodzi od wzoru 2x2x1 z charakterystycznym wzorem Gwiazdy Dawida do wzoru 2x2x2. Dzieje się tak, ponieważ siatka Kagome odwraca się sama w sobie, gdy temperatura staje się wyjątkowo niska. Naukowcy wykazali, że nowa siatka, w którą przechodzi, składa się głównie z oddzielnych sześciokątów i trójkątów. Pokazali również, jak ten wzór się łączy, gdy biorą jedną płaszczyznę struktury RbV3Sb5 i obracają ją, „wpatrując się” w nią pod innym kątem.

„To tak, jakby ten jeden Kagome stał się teraz tymi skomplikowanymi rzeczami, które dzielą się na dwie części” – powiedział Mitrović. „Rozciąga siatkę tak, że Kagome staje się kombinacją sześciokątów i trójkątów w jednej płaszczyźnie, a następnie w następnej płaszczyźnie, po obróceniu jej o pół koła, powtarza się”.

Naukowcy stwierdzili, że badanie tej struktury atomowej jest niezbędnym krokiem do uzyskania pełnego portretu egzotycznych stanów materii, w które przechodzi ten materiał nadprzewodzący. Uważają, że odkrycia doprowadzą do dalszych badań nad tym, czy ta formacja i jej właściwości mogą pomóc w nadprzewodnictwie, czy też jest to coś, co należy stłumić, aby stworzyć lepsze nadprzewodniki. Nowa unikalna technika, której użyli, pozwoli również naukowcom odpowiedzieć na zupełnie nowy zestaw pytań.

„Teraz wiemy, co to jest, a naszym następnym zadaniem jest ustalenie, jaki jest związek z innymi dziwacznymi fazami w niskich temperaturach – czy to pomaga, czy współzawodniczy, czy możemy to kontrolować, czy możemy to zrobić w wyższych temperaturach, jeśli jest przydatne?” — powiedział Mitrović. „Następnie obniżamy temperaturę i uczymy się więcej”.

Badaniami eksperymentalnymi kierowali Jonathan Frassineti, doktorant Brown i Uniwersytetu Bolońskiego, Pietro Bonfà z Uniwersytetu w Parmie oraz dwóch studentów Browna: Erick Garcia i Rong Cong. Prace teoretyczne prowadził Bonfà, podczas gdy wszystkie materiały zostały zsyntetyzowane na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara.