Vật liệu mới kỳ lạ có thể là hai chất siêu dẫn trong một – Với các ứng dụng tính toán lượng tử nghiêm trọng

Work có những ứng dụng tiềm năng trong tính toán lượng tử và giới thiệu phương pháp mới để tìm hiểu những bí mật của hiện tượng siêu dẫn.

Các nhà vật lý của MIT và các đồng nghiệp đã chứng minh một dạng siêu dẫn kỳ lạ trong một vật liệu mới mà nhóm nghiên cứu tổng hợp chỉ cách đây khoảng một năm. Mặc dù đã được dự đoán từ những năm 1960, nhưng cho đến nay loại siêu dẫn này đã được chứng minh là khó ổn định. Hơn nữa, các nhà khoa học phát hiện ra rằng cùng một vật liệu có khả năng được chế tác để thể hiện một dạng siêu dẫn khác, kỳ lạ không kém.

Công trình được báo cáo trên tạp chí Nature vào ngày 3 tháng 11 năm 2021.

Việc chứng minh tính siêu dẫn động lượng hữu hạn trong một tinh thể nhiều lớp được gọi là siêu mạng tự nhiên có nghĩa là vật liệu có thể được tinh chỉnh để tạo ra các dạng siêu dẫn khác nhau trong cùng một mẫu. Và điều đó, đến lượt nó, có thể có ý nghĩa đối với tính toán lượng tử và hơn thế nữa.

Vật liệu này cũng được kỳ vọng sẽ trở thành một công cụ quan trọng để tìm hiểu những bí mật của các chất siêu dẫn độc đáo. Điều này có thể hữu ích cho các công nghệ lượng tử mới. Việc thiết kế những công nghệ như vậy là một thách thức, một phần vì vật liệu cấu tạo nên chúng có thể khó nghiên cứu. Vật liệu mới có thể đơn giản hóa nghiên cứu như vậy bởi vì, trong số những thứ khác, nó tương đối dễ chế tạo.

Joseph Checkelsky, nhà điều tra chính của công trình và Phó Giáo sư Vật lý Phát triển Sự nghiệp Mitsui cho biết: “Một chủ đề quan trọng trong nghiên cứu của chúng tôi là vật lý mới đến từ vật liệu mới. “Báo cáo ban đầu của chúng tôi vào năm ngoái là về loại vật liệu mới này. Công trình mới này báo cáo vật lý mới. “

Các đồng tác giả của Checkelsky trên bài báo hiện tại bao gồm tác giả chính Aravind Devarakonda Tiến sĩ ’21, hiện đang làm việc tại Đại học Columbia . Công trình là một phần trọng tâm của luận án Devarakonda. Đồng tác giả là Takehito Suzuki, cựu nhà khoa học nghiên cứu tại MIT, nay thuộc Đại học Toho, Nhật Bản; Shiang Fang, một postdoc tại Khoa Vật lý MIT; Junbo Zhu, một sinh viên tốt nghiệp ngành vật lý của MIT; David Graf của Phòng thí nghiệm Từ trường Cao Quốc gia; Markus Kriener thuộc Trung tâm RIKEN về Khoa học Vật chất Nổi bật ở Nhật Bản; Liang Fu, phó giáo sư vật lý của MIT; và Efthimios Kaxiras của Đại học Harvard.

Vật liệu lượng tử mới

Vật lý cổ điển có thể được sử dụng để giải thích bất kỳ số lượng hiện tượng nào làm nền tảng cho thế giới của chúng ta – cho đến khi mọi thứ trở nên nhỏ bé một cách tinh xảo. Các hạt hạ nguyên tử như electron và quark hoạt động khác nhau, theo những cách vẫn chưa được hiểu đầy đủ. Nhập cơ học lượng tử, lĩnh vực cố gắng giải thích hành vi của chúng và các hiệu ứng kết quả.

Checkelsky và các đồng nghiệp đã phát hiện ra một vật liệu lượng tử mới, hoặc một vật liệu thể hiện các đặc tính kỳ lạ của cơ học lượng tử ở quy mô vĩ mô. Trong trường hợp này, vật liệu được đề cập là chất siêu dẫn.

Checkelsky giải thích rằng gần đây đã có một sự bùng nổ trong việc nhận ra các chất siêu dẫn đặc biệt có hai chiều, hoặc chỉ dày một vài lớp nguyên tử. Những chất siêu dẫn siêu mỏng mới này được quan tâm một phần vì chúng được kỳ vọng sẽ cung cấp những hiểu biết sâu sắc về chính hiện tượng siêu dẫn.

Nhưng có những thách thức. Thứ nhất, bản thân những vật liệu chỉ dày vài lớp nguyên tử rất khó nghiên cứu vì chúng rất mỏng manh. Có thể có một cách tiếp cận khác để sửa chữa hệ thống ống nước bí mật của họ?

Vật liệu mới do Checkelsky và các đồng nghiệp chế tạo có thể được coi là chất siêu dẫn tương đương với một lớp bánh , trong đó một lớp là màng siêu mỏng của vật liệu siêu dẫn, trong khi lớp tiếp theo là lớp đệm siêu mỏng bảo vệ nó. Việc xếp chồng các lớp này lên nhau dẫn đến một tinh thể lớn (điều này xảy ra một cách tự nhiên khi các nguyên tố cấu thành của lưu huỳnh, niobi và bari được đốt nóng cùng nhau). “Và tinh thể vĩ mô đó, thứ mà tôi có thể cầm trên tay, hoạt động như một chất siêu dẫn 2D. Nó rất đáng ngạc nhiên, ”Checkelsky nói.

Nhiều tàu thăm dò mà các nhà khoa học sử dụng để nghiên cứu chất siêu dẫn 2D đang gặp khó khăn khi sử dụng trên các vật liệu mỏng nguyên tử. Bởi vì vật liệu mới quá lớn, “giờ đây chúng tôi có nhiều công cụ hơn nữa [để mô tả đặc điểm của nó],” Checkelsky nói. Trên thực tế, đối với công trình được báo cáo trong bài báo hiện tại, các nhà khoa học đã sử dụng một kỹ thuật yêu cầu các mẫu lớn.

Chất siêu dẫn kỳ lạ

Một chất siêu dẫn mang điện tích theo một cách đặc biệt. Thay vì thông qua một điện tử, điện tích được mang bởi hai điện tử liên kết với nhau trong cái được gọi là cặp Cooper. Tuy nhiên, không phải tất cả các chất siêu dẫn đều giống nhau. Một số dạng siêu dẫn bất thường chỉ có thể xuất hiện khi các cặp Cooper có thể di chuyển không bị cản trở qua vật liệu trong khoảng cách tương đối dài. Khoảng cách càng dài, vật liệu càng “sạch”.

Vật liệu của nhóm Checkelsky cực kỳ sạch sẽ. Kết quả là, các nhà vật lý rất hào hứng muốn biết liệu nó có thể biểu hiện một trạng thái siêu dẫn bất thường hay không. Trong bài báo hiện tại, nhóm nghiên cứu chỉ ra rằng vật liệu mới của họ là chất siêu dẫn động lượng hữu hạn khi ứng dụng từ trường. Loại hiện tượng siêu dẫn đặc biệt này, được đề xuất vào những năm 1960, vẫn là một niềm say mê đối với các nhà khoa học.

Trong khi chất siêu dẫn thường bị phá hủy bởi từ trường khiêm tốn, một chất siêu dẫn động lượng hữu hạn có thể tồn tại thêm nữa bằng cách hình thành một mô hình đều đặn của các vùng có rất nhiều cặp Cooper và các vùng không có. Hóa ra loại chất siêu dẫn này có thể được điều khiển để tạo thành nhiều kiểu bất thường khác nhau khi các cặp Cooper di chuyển giữa các quỹ đạo cơ lượng tử được gọi là mức Landau. Và điều đó có nghĩa là, Checkelsky nói, rằng các nhà khoa học bây giờ có thể tạo ra các dạng siêu dẫn khác nhau trong cùng một vật liệu.

“Đây là một thí nghiệm nổi bật có thể chứng minh các cặp Cooper di chuyển giữa các mức Landau trong một chất siêu dẫn, điều chưa từng được quan sát trước đây. Thành thật mà nói, tôi chưa bao giờ lường trước được việc nhìn thấy thứ này trong một viên pha lê mà bạn có thể cầm trên tay, vì vậy điều này rất thú vị. Để quan sát hiệu ứng khó nắm bắt này, các tác giả đã phải thực hiện các phép đo tỉ mỉ, chính xác cao trên một chất siêu dẫn hai chiều duy nhất mà họ đã phát hiện trước đó. Kyle Shen, giáo sư vật lý tại Đại học Cornell, cho biết đó là một thành tựu đáng kể, không chỉ ở độ khó kỹ thuật mà còn ở sự thông minh. Shen không tham gia vào nghiên cứu.

Hơn nữa, các nhà vật lý nhận ra rằng vật liệu của họ cũng có các thành phần cho một loại siêu dẫn kỳ lạ khác. Hiện tượng siêu dẫn tôpô liên quan đến sự chuyển động của điện tích dọc theo các cạnh hoặc ranh giới. Trong trường hợp này, điện tích đó có thể di chuyển dọc theo các cạnh của mỗi mẫu siêu dẫn bên trong.

Nhóm Checkelsky hiện đang làm việc để xem liệu vật liệu của họ có thực sự có khả năng siêu dẫn topo hay không. Nếu vậy, “chúng ta có thể kết hợp cả hai loại siêu dẫn mới không? Điều đó có thể mang lại những gì? ” Checkelsky hỏi.

“Thật là vui khi nhận ra vật liệu mới này,” anh kết luận. “Khi chúng tôi tìm hiểu kỹ những gì nó có thể làm, đã có một số điều bất ngờ. Thật sự rất phấn khích khi những điều mới lạ xuất hiện mà chúng tôi không ngờ tới ”.

Tham khảo: “Chữ ký của mức bosonic Landau trong chất siêu dẫn động lượng hữu hạn” của A. Devarakonda, T. Suzuki, S. Fang, J. Zhu, D. Graf, M. Kriener, L. Fu, E. Kaxiras và J.G Checkelsky , Ngày 3 tháng 11 năm 2021, Nature .
DOI: 10.1038 / s41586-021-03915-3

Công trình này được hỗ trợ bởi Quỹ Gordon và Betty Moore, Văn phòng Nghiên cứu Hải quân, Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE), Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF) và Trung tâm Rutgers về Lý thuyết Vật liệu.

Các phép tính được thực hiện tại Đại học Harvard. Các phần khác của công việc được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Từ trường Cao Quốc gia, được hỗ trợ bởi NSF, Bang Florida và Bộ Năng lượng.

Theo Scitechdaily