Гарвардский университет представляет инновационный подход к высокотемпературным сверхпроводникам

Метод изготовления может облегчить обнаружение материала.

• Команда Гарварда под руководством Филиппа Кима создает высокотемпературные сверхпроводники с использованием меди.
• Разработан первый в мире усовершенствованный сверхпроводящий диод. Количественная статистика.
• Продемонстрировать направленный сверхток и управление квантовыми состояниями в BSCCO.

Сверхпроводники интриговали физиков на протяжении десятилетий. Но эти материалы, которые позволяют потоку электронов течь идеально и без потерь, обычно проявляют эту особенность квантовой механики только при очень низких температурах — на несколько градусов выше. Абсолютный ноль – Сделать это непрактичным.

Исследовательская группа под руководством профессора физики и прикладной физики из Гарварда Филипа Кима продемонстрировала новую стратегию создания и управления широко изученным классом высокотемпературных сверхпроводников, называемых купратами, что открывает путь для разработки новых и необычных форм сверхпроводимости в местах, которые никогда не существовали. Раньше добиться этого было невозможно. Материал.

Используя уникальный метод изготовления низкотемпературных устройств, Ким и его команда опубликовали свой отчет в журнале. Науки Многообещающий кандидат на роль первого в мире высокотемпературного сверхпроводящего диода (по сути, переключателя, который заставляет ток течь в одном направлении) сделан из тонких кристаллов меди. Теоретически такое устройство могло бы способствовать развитию новых отраслей, таких как квантовые вычисления, которые основаны на кратковременных механических явлениях, которые трудно поддерживать.

Графическое изображение скрученного и сложенного медного сверхпроводника с сопроводительными исходными данными. Фотография: Люси Йип, Йоши Сайто, Алекс Куи, Фрэнк Чоу

«Высокотемпературные сверхпроводящие диоды действительно возможны без применения магнитных полей и открывают новые двери для исследований в области изучения экзотических материалов», — сказал Ким.

Купраты — это оксиды меди, которые перевернули мир физики несколько десятилетий назад, показав, что они становятся сверхпроводящими при температурах, гораздо более высоких, чем думали теоретики, а «выше» — понятие относительное (текущий рекорд для медного сверхпроводника — -225). . Ф). Но манипулировать этими материалами, не разрушая их сверхпроводящие фазы, очень сложно из-за их сложных электронных и структурных свойств.

Эксперименты команды SY возглавил Фрэнк Чжао, бывший студент Высшей школы искусств и наук Гриффина, а ныне постдокторант в Гриффине. Массачусетский Институт Технологий. Используя метод безвоздушной криогенной обработки кристаллов в аргоне высокой чистоты, Чжао разработал чистый интерфейс между двумя чрезвычайно тонкими слоями оксидов меди, кальция, висмута и стронция, получивший прозвище BSCCO («биско»). BSCCO считается «высокотемпературным» сверхпроводником, поскольку он начинает сверхпроводимость при температуре около 288 градусов по Фаренгейту — очень низкой по практическим стандартам, но удивительно высокой среди сверхпроводников, которые обычно необходимо охлаждать примерно до -400 градусов по Фаренгейту.

Чжао сначала разделил BSCCO на два слоя, каждый из которых составляет одну тысячную ширины человеческого волоса. Затем, при -130 градусах, он сложил два слоя под углом 45 градусов, как сэндвич с мороженым, со смещенной стружкой, сохранив при этом сверхпроводимость на хрупкой границе раздела.

Команда обнаружила, что максимальный сверхток, который может пройти без сопротивления через интерфейс, зависит от направления тока. Важно отметить, что команда также продемонстрировала электронный контроль над межфазным квантовым состоянием, изменив эту полярность. Именно этот контроль фактически позволил им создать высокотемпературный переключаемый сверхпроводящий диод, демонстрацию фундаментальной физики, которая однажды может быть включена в часть вычислительной технологии, например, в квантовый бит.

«Это отправная точка в изучении топологических фаз, которые характеризуются квантовыми состояниями, защищенными от дефектов», — сказал Чжао.

Ссылка: «Сверхпроводимость, разрушающая симметрию обращения времени между витыми медными сверхпроводниками», авторы: Фрэнк Чжао, Сяомэн Цуй, Павел А. Волков, Хёбин Ю, Сангмин Ли, Жюль А. Гарденер, Остин Дж. Эйки, Ребекка Энгельке, Юваль Ронен, Руидан. Чунг, Джинда Джу, Стефан Плаг, Тарун Томорроу, Мён Ким, Марсель Франц, Джедедия Х. Пиксли, Никола Буччиа и Филип Ким, 7 декабря 2023 г., Науки.
doi: 10.1126/science.abl8371

Команда Гарварда работала с коллегами Марселем Францем из Университета Британской Колумбии и Джедом Пиксли из Университета Рутгерса, чья команда ранее проводила строгие теоретические расчеты. И он ожидал Поведение медного сверхпроводника в A Широкий диапазон От торсионных углов. Согласование экспериментальных наблюдений требует также новых теоретических разработок, предпринятых Павлом А. Волков из Университета Коннектикута.

Исследование частично поддерживалось Национальным научным фондом, Министерством обороны и Министерством энергетики.