«Пурпурное бронзовое открытие» раскрывает «идеальный ключ» к технологиям будущего

Квантовые ученые обнаружили явление в пурпурной бронзе, которое может стать ключом к разработке «идеального переключателя» в квантовых устройствах, которые переключаются между изолятором и сверхпроводником.

Исследование, проведенное Бристольским университетом и опубликованное в НаукиЭти два противоположных электронных состояния находятся в пурпурной бронзе, уникальном одномерном металле, состоящем из цепочек отдельных проводящих атомов.

Например, небольшие изменения в материале, вызванные небольшим раздражителем, таким как тепло или свет, могут вызвать мгновенный переход из изолирующего состояния с нулевой проводимостью в сверхпроводник с неограниченной проводимостью, и наоборот. Это разнообразие поляризаций, известное как «эмерджентная симметрия», может стать идеальным переключателем в будущих разработках квантовых технологий.

На изображении изображена возникающая симметрия: идеально симметричная капля воды, выходящая из слоя льда. Напротив, кристаллы льда в снегу имеют сложную форму и поэтому менее симметричны, чем капля воды. Фиолетовый цвет указывает на пурпурно-бронзовый материал, в котором было обнаружено это явление. Предоставлено: Бристольский университет.

13-летнее путешествие

Ведущий автор Найджел Хасси, профессор физики Университета Бристольский университет«Это действительно захватывающее открытие, которое может стать идеальным ключом к будущим квантовым устройствам», — сказал он.

«Увлекательное путешествие началось 13 лет назад в моей лаборатории, когда два аспиранта, Сяофэн Сюй и Ник Уикхэм, измерили магнитосопротивление – изменение сопротивления, вызванное магнитным полем – пурпурной бронзы».

В отсутствие магнитного поля сопротивление пурпурной бронзы сильно зависело от направления поступления электрического тока. Его температурная зависимость также была сложной. При комнатной температуре удельное сопротивление является металлическим, но при понижении температуры оно меняется на противоположное, и материал превращается в изолятор. Затем при самых низких температурах сопротивление снова уменьшается, поскольку он превращается в сверхпроводник. Несмотря на эту сложность, магнитосопротивление удивительно просто. По сути, оно было одинаковым независимо от направления тока или поля и имело идеальную линейную температурную зависимость на всем пути от комнатной температуры до температуры сверхпроводящего перехода.

«Такому загадочному поведению не удалось найти вразумительного объяснения, и в течение следующих семи лет данные оставались бездействующими и неопубликованными. Подобный пробел необычен в квантовых исследованиях, хотя причиной этого было не отсутствие статистики», — профессор Хасси. объяснил.

«Такая простота магнитного отклика всегда противоречит его сложному происхождению, и, как оказывается, его потенциальное решение может быть найдено только в результате случайной встречи».

Случайная встреча приводит к прорыву

В 2017 году профессор Хасси работал в Университете Радбауд и увидел рекламу семинара физика доктора Петра Чудзинского на тему пурпурной бронзы. В то время мало кто из исследователей посвятил бы целый симпозиум этому неизвестному веществу, поэтому его интерес был горячо.

Профессор Хасси сказал: «На симпозиуме Чудзински предположил, что высокое сопротивление может быть вызвано интерференцией между электронами проводимости и неуловимыми составными частицами, известными как «темные экситоны». Мы поговорили после симпозиума и вместе предложили эксперимент для проверки его теории. последующие измерения по существу подтвердили это».

Благодаря этому успеху профессор Хасси возобновил данные Шоу и Уэйкхема по магнитосопротивлению и представил их доктору Чудзински. Две ключевые особенности данных — линейность с температурой и независимость от направления и поля тока — заинтриговали Чудзински, равно как и тот факт, что один и тот же материал может проявлять изолирующие и сверхпроводящие свойства в зависимости от того, как он растет.

Доктор Чудзински задавался вопросом, может ли взаимодействие между носителями заряда и экситонами, которое он представил ранее, вместо того, чтобы полностью перейти в изолирующее, привести к тому, что первые будут тяготеть к границе между изолирующим и сверхпроводящим состояниями при понижении температуры. В тех же пределах вероятность того, что система является изолятором или сверхпроводником, по существу одинакова.

Профессор Хасси сказал: «Такая физическая симметрия — необычный случай, и развитие такой симметрии в металле при понижении температуры (отсюда и термин «возникающая симметрия») было бы первым в мире».

Физикам хорошо знакомо явление нарушения симметрии: понижение симметрии электронной системы при охлаждении. Сложное расположение молекул воды в кристалле льда является примером нарушения симметрии. А вот обратное — крайне редкое, если не уникальное событие. Возвращаясь к аналогии воды/льда, можно сказать, что после дальнейшего охлаждения льда сложность кристаллов льда «тает» обратно во что-то однородное и гладкое, как капля воды.

Эмерджентная симметрия: редкое явление

Доктор Чудзински, ныне научный сотрудник Королевского университета в Белфасте, сказал: «Представьте себе магический трюк, в котором тусклая, искаженная форма превращается в красивую, совершенно симметричную сферу. Короче говоря, это суть возникающей симметрии. Человек в вопрос в нашем материале, пурпурной бронзе, а наш волшебник — сама природа».

Чтобы дополнительно проверить, выдерживает ли теория критику, еще 100 отдельных кристаллов, некоторые из которых были изолирующими, а другие сверхпроводящими, были исследованы еще одним аспирантом Мартином Бербином, который работает в Университете Радбауд.

Профессор Хасси добавил: «После титанических усилий Мартина история завершена, и становится ясна причина, по которой разные кристаллы имеют совершенно разные основные состояния. Заглядывая в будущее, возможно, можно будет использовать эту «нововидность» для создания переключателей в квантовые схемы, в которых небольшие стимулы вызывают глубокие и значительные изменения сопротивления переключения.

Ссылка: «Возникающая симметрия в низкоразмерном сверхпроводнике на краю Мотнесса» П. Чудзински, М. Бербен, Сяофэн Сюй, Н. Уэйкхэм, Б. Бернат, К. Даффи, Р. Д. Х. Хинлопен, Ю-Те Сюй, С. Вейдман, Б. Тиннеманс, Жунъин Цзинь, М. Гринблатт, Нью-Йорк, Хасси, 16 ноября 2023 г., Науки.
doi: 10.1126/science.abp8948