Гарвардський університет представив інноваційний підхід до високотемпературних надпровідників

Метод виготовлення може полегшити виявлення матеріалу.

• Гарвардська команда під керівництвом Філіпа Кіма створює високотемпературні надпровідники з використанням міді.
• Розробив перший у світі вдосконалений надпровідний діод Кількісна статистика.
• Продемонструвати спрямований надструм і керування квантовими станами в BSCCO.

Надпровідники десятиліттями цікавили фізиків. Але ці матеріали, які дозволяють потоку електронів протікати ідеально і без втрат, зазвичай виявляють цю особливість квантової механіки лише за дуже низьких температур — на кілька градусів вище Абсолютний нуль – Зробити це непрактично.

Дослідницька група під керівництвом професора фізики та прикладної фізики Гарвардського університету Філіпа Кіма продемонструвала нову стратегію створення та маніпулювання широко вивченим класом високотемпературних надпровідників, які називаються купратами, прокладаючи шлях для створення нових і незвичайних форм надпровідності в місцях, де ніколи не було Раніше цього не вдавалося досягти. матеріал.

Використовуючи унікальний метод для виготовлення низькотемпературних пристроїв, Кім і його команда написали свій звіт у журналі наук Багатообіцяючий кандидат на роль першого в світі високотемпературного надпровідного діода – по суті перемикача, який змушує струм протікати в одному напрямку – виготовлений з тонких кристалів міді. Теоретично такий пристрій міг би підживити такі галузі, що розвиваються, як квантові обчислення, які покладаються на перехідні механічні явища, які важко підтримувати.

Графічне зображення скрученого та складеного мідного надпровідника з супровідними довідковими даними. Фото: Люсі Іп, Йоші Сайто, Алекс Куй, Френк Чоу

«Високотемпературні надпровідні діоди дійсно можливі без застосування магнітних полів і відкривають нові шляхи для досліджень у вивченні екзотичних матеріалів», — сказав Кім.

Купрати — це оксиди міді, які десятиліття тому перевернули світ фізики, показавши, що вони стають надпровідними при температурах, набагато вищих, ніж вважали теоретики, а «вище» — поняття відносне (поточний рекорд для мідного надпровідника становить -225). . Ф). Але маніпулювання цими матеріалами без руйнування їх надпровідних фаз є дуже складним через їхні складні електронні та структурні властивості.

Експерименти команди SY проводилися під керівництвом Френка Чжао, колишнього студента Вищої школи мистецтв і наук Гріффіна, а тепер доктора наук у Гріффіні. Массачусетський технологічний інститут. Використовуючи безповітряний кріогенний метод обробки кристалів в аргоні високої чистоти, Чжао розробив чистий інтерфейс між двома надзвичайно тонкими шарами міді, кальцію, вісмуту та оксиду стронцію, що отримав прізвисько BSCCO («біско»). BSCCO вважається «високотемпературним» надпровідником, оскільки він починає надпровідність приблизно при 288 градусах за Фаренгейтом — дуже холодно за практичними стандартами, але напрочуд високо серед надпровідників, які зазвичай потрібно охолоджувати приблизно до -400 градусів за Фаренгейтом.

Чжао спочатку розділив BSCCO на два шари, кожен з яких мав одну тисячну ширини людської волосини. Потім, при температурі -130 градусів, він склав два шари під кутом 45 градусів, як бутерброд із морозивом із зміщеними чіпами, зберігаючи при цьому надпровідність на крихкій поверхні розділу.

Команда виявила, що максимальний надструм, який може проходити без опору через межу розділу, змінюється в залежності від напрямку струму. Важливо те, що команда також продемонструвала електронний контроль міжфазного квантового стану шляхом зміни цієї полярності. Саме цей контроль фактично дозволив їм створити високотемпературний перемикається надпровідний діод, демонстрацію фундаментальної фізики, яку одного дня можна буде включити в частину обчислювальної технології, таку як квантовий біт.

«Це відправна точка у вивченні топологічних фаз, які характеризуються квантовими станами, захищеними від дефектів», — сказав Чжао.

Довідка: «Симетрія реверсії часу порушує надпровідність між крученими мідними надпровідниками» С. Ю. Френк Чжао, Сяомен Цуй, Павло А. Волков, Хьобін Ю, Сангмін Лі, Джулс А. Гарденер, Остін Дж. Акі, Ребекка Енгельке, Ювал Ронен, Руйдан Чунг , Джінда Гуо, Стефан Плуг, Тарон Томорроу, Мен Кім, Марсель Франц, Джедедая Х. Пікслі, Нікола Буччіа та Філіп Кім, 7 грудня 2023 р., наук.
doi: 10.1126/science.abl8371

Команда з Гарварду працювала з колегами Марселем Францом з Університету Британської Колумбії та Джедом Пікслі з Університету Рутгерса, чия команда раніше виконувала суворі теоретичні розрахунки. І він очікував Поведінка мідного надпровідника в А Широкий асортимент Від торсійних кутів. Узгодження експериментальних спостережень також вимагає нових теоретичних розробок, здійснених Павлом А. Волков з Університету Коннектикуту.

Дослідження було частково підтримано Національним науковим фондом, Міністерством оборони та Міністерством енергетики.