Team gibt bahnbrechende Beobachtung des Mott-Übergangs in einem Supraleiter bekannt

Team gibt bahnbrechende Beobachtung des Mott-Übergangs in einem Supraleiter bekannt

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Anonim

von Joost Bruysters, Universität Twente

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Ein internationales Forscherteam, darunter das MESA + -Institut für Nanotechnologie an der Universität Twente in den Niederlanden und das Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums, gab heute in Science die Beobachtung eines dynamischen Mott-Übergangs in einem Supraleiter bekannt.

Die Entdeckung verbindet experimentell die Welten der klassischen und der Quantenmechanik und beleuchtet die mysteriöse Natur des Mott-Übergangs. Es könnte auch Aufschluss über die Ungleichgewichtsphysik geben, die kaum verstanden wird, aber das meiste regelt, was in unserer Welt vorkommt. Der Befund könnte auch einen Schritt in Richtung einer effizienteren Elektronik basierend auf dem Mott-Übergang darstellen.

Seit der Grundsteinlegung zu Beginn des 20. Jahrhunderts haben Wissenschaftler versucht, die Quantenmechanik mit den Regeln der klassischen oder Newtonschen Physik in Einklang zu bringen (wie Sie den Weg eines Apfels beschreiben, der in die Luft geworfen oder von einem Baum gefallen ist) ). Die Physiker haben Fortschritte bei der Verknüpfung der beiden Ansätze gemacht, aber Experimente, die diese beiden Ansätze verbinden, sind immer noch selten und weit verbreitet. Physikalische Phänomene werden normalerweise entweder als Quantenphänomen oder als klassische Phänomene klassifiziert, jedoch nicht als beides.

Ein System, das beide verbindet, sind Supraleiter, bestimmte Materialien, die Elektrizität perfekt leiten, wenn sie auf sehr niedrige Temperaturen abgekühlt werden. Magnetfelder durchdringen das supraleitende Material in Form winziger Filamente, so genannter Wirbel, die die elektronischen und magnetischen Eigenschaften der Materialien steuern.

Diese Wirbel weisen sowohl klassische als auch Quanteneigenschaften auf, was die Forscher veranlasste, sie zu untersuchen, um Zugang zu einem der rätselhaftesten Phänomene der modernen Physik der kondensierten Materie zu erhalten: dem Mott-Übergang von Isolator zu Metall.

Der Mott-Übergang tritt in bestimmten Materialien auf, die laut Lehrbuch Quantenmechanik Metalle sein sollen, in Wirklichkeit aber Isolatoren. Der Mott-Übergang ist ein komplexes Phänomen, das durch die Wechselwirkungen vieler Quantenteilchen gesteuert wird. Ob es sich um ein klassisches Phänomen oder ein Quantenphänomen handelt, ist nicht ganz klar. Darüber hinaus haben Wissenschaftler niemals direkt einen dynamischen Mott-Übergang beobachtet, bei dem ein Phasenübergang von einem isolierenden in einen metallischen Zustand durch Ansteuern eines elektrischen Stroms durch das System induziert wird. Die den realen Systemen inhärente Störung verschleiert die Eigenschaften von Mott.

An der Universität Twente bauten die Forscher ein System mit 90.000 supraleitenden Niob-Nano-Inseln auf einem Goldfilm. In dieser Konfiguration ist es für die Wirbel energetisch am einfachsten, sich in einer Anordnung wie einer Eikiste in Energiedellen niederzulassen - und das Material als Mott-Isolator wirken zu lassen, da sich die Wirbel nicht bewegen, wenn der angelegte elektrische Strom klein ist.

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Als sie jedoch einen ausreichend großen elektrischen Strom anlegten, sahen die Wissenschaftler einen dynamischen Mott-Übergang, als sich das System in ein leitfähiges Metall verwandelte. Die Eigenschaften des Materials hatten sich geändert, als der Strom es aus dem Gleichgewicht brachte.

Das Wirbelsystem verhielt sich genau wie ein elektronischer Mott-Übergang, der durch die Temperatur gesteuert wird, sagte Valerii Vinokur, ein Argonne Distinguished Fellow und entsprechender Autor der Studie. Er und die damalige Co-Autorin Tatyana Baturina von Argonne analysierten die Daten und erkannten das Mott-Verhalten.

"Dies materialisiert experimentell die Entsprechung zwischen Quanten- und klassischer Physik", sagte Vinokur. "Durch Anlegen eines elektrischen Stroms an das System können wir kontrollierbar einen Phasenübergang zwischen einem Zustand von verriegelten Wirbeln zu wandernden Wirbeln induzieren", sagte Hans Hilgenkamp, ​​Leiter der Forschungsgruppe der Universität Twente. "Das Studium dieser Phasenübergänge in unseren künstlichen Systemen ist an sich schon interessant, kann aber auch einen weiteren Einblick in die elektronischen Übergänge in realen Materialien geben."

Das System könnte Wissenschaftlern außerdem Einblicke in zwei Kategorien der Physik bieten, die schwer zu verstehen sind: Vielteilchensysteme und Systeme außerhalb des Gleichgewichts.

"Dies ist ein klassisches System, mit dem man leicht experimentieren kann und das den Zugang zu sehr komplizierten Mehrkörpersystemen ermöglicht", sagte Vinokur. "Es sieht ein bisschen nach Magie aus."

Wie der Name schon sagt, treten bei Vielteilchenproblemen eine große Anzahl von Teilchen in Wechselwirkung. Mit der gegenwärtigen Theorie sind sie sehr schwer zu modellieren oder zu verstehen.

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"Darüber hinaus wird dieses System der Schlüssel zum Aufbau eines allgemeinen Verständnisses der Physik außerhalb des Gleichgewichts sein, was einen großen Durchbruch in der Physik bedeuten würde", sagte Vinokur.

Das Energieministerium nannte fünf große grundlegende energiewissenschaftliche Herausforderungen unserer Zeit. Eine davon ist das Verstehen und Kontrollieren von Phänomenen außerhalb des Gleichgewichts. Gleichgewichtssysteme - in denen sich keine Energie bewegt - sind mittlerweile recht gut verstanden. Aber fast alles in unserem Leben beinhaltet einen Energiefluss, von der Photosynthese über die Verdauung bis hin zu tropischen Wirbelstürmen, und wir haben noch nicht die Physik, um dies gut zu beschreiben. Wissenschaftler glauben, dass ein besseres Verständnis zu enormen Verbesserungen bei der Energieerfassung, den Batterien und Energiespeichern, der Elektronik und vielem mehr führen könnte.

Da wir Elektronik schneller und kleiner machen wollen, bieten Mott-Systeme auch eine mögliche Alternative zum Siliziumtransistor. Da sie mit kleinen Spannungsänderungen zwischen leitend und isolierend umgeschaltet werden können, können sie möglicherweise Einsen und Nullen in kleineren Maßstäben und mit höherer Genauigkeit als Siliziumtransistoren codieren.

"Zunächst haben wir die Strukturen aus ganz anderen Gründen untersucht, nämlich um die Auswirkungen von Inhomogenitäten auf die Supraleitung zu untersuchen", sagte Hilgenkamp es enthüllte so schön die Details des Übergangs zwischen dem Zustand von verriegelten und sich bewegenden Wirbeln. Es gibt viele Ideen für Folgestudien und wir freuen uns auf die weitere Zusammenarbeit. "

Die Ergebnisse wurden in der heute in Science veröffentlichten Studie "Kritisches Verhalten bei einem dynamischen Übergang von Wirbelisolator zu Metall" veröffentlicht. Andere Mitautoren sind mit der Sibirischen Abteilung der Russischen Akademie der Wissenschaften, dem Internationalen Zentrum für Materialwissenschaften in Rom, der Staatlichen Universität Nowosibirsk, dem Moskauer Institut für Physik und Technologie und der Queen Mary University in London verbunden.