Wirbel des Quantenchaos, die spontan in atomar dünnen Schichten isolierenden Materials entstehen, haben die Physiker verblüfft und eine Überarbeitung der Modelle erforderlich gemacht, die einige drängende Probleme lösen könnten, um die Supraleitung zu verstehen.
Experimentalphysiker der Princeton University in den USA und des japanischen National Institute for Materials Science untersuchten das spontane Auftreten von Quantenfluktuationen an einem Übergangspunkt vom Elektronenstau zur supraleitenden Autobahn, die eine zweidimensionale Landschaft durchschneidet.
„Wie eine supraleitende Phase in eine andere Phase umgewandelt werden kann, ist ein faszinierendes Forschungsgebiet“, sagt der Princeton-Physiker und leitende Autor Sanfeng Wu.
„Und wir interessieren uns schon seit einiger Zeit für dieses Problem bei atomar dünnen, sauberen und einkristallinen Materialien.“
Den Elektronen, die durch die Kupferdrähte hinter Ihrer Trockenbauwand treiben, fällt es schwer, sich von A nach B zu bewegen. Schalten Sie Ihren Fernseher ein, und in diesen Drähten entfaltet sich zur Hauptverkehrszeit der Wahnsinn, wenn die Elektronen schwanken und stoßen, ihre winzigen Elektronenhörner betätigen und ihre winzigen schütteln Elektronenfäuste, während ihre winzigen Elektronenmaschinen überhitzen.
Supraleitung ist der Traum. Es ist eine mühelose Bewegung vom Anfang bis zum Ende. Keine Hitze, keine Energieverschwendung. Es ist so effizient wie nur möglich, perfekt für die Erzeugung starker elektromagnetischer Felder oder Hochgeschwindigkeitsrechnen, das nicht in einer Pfütze zergeht.
Allerdings ist es auch nicht gerade einfach, eine Phase der Leitfähigkeit herbeizuführen. Dies geschieht, wenn Elektronen ihren Sinn für Individualität verlieren und sich synchronisieren und sogenannte Cooper-Paare bilden, die in der Lage sind, die atomare Nachbarschaft mit Zen-ähnlicher Leichtigkeit zu überwinden.
Dies erfordert ein Maß an Entspannung, das nur mit ziemlich beeindruckender, robuster Ausrüstung erreicht werden kann. Wenn Forscher jedoch genau verstehen könnten, was diesen Quantenübergang auslöst und welche Rolle die Temperatur spielt, könnten sie möglicherweise mit etwas weniger Kühlung auskommen.
Ein Forschungsgebiet umfasst die Untersuchung des Quantenverhaltens von Elektronen, die auf effektiv zweidimensionalen Oberflächen eingefangen sind. Ohne die Fähigkeit, sich auf und ab zu bewegen, erschweren Quantenphänomene den Übergang in einen supraleitenden Zustand erheblich.
„Wenn man in niedrigere Dimensionen vordringt, werden die Fluktuationen so stark, dass sie jede Möglichkeit der Supraleitung ‚zunichtemachen‘“, sagt der Princeton-Physiker Nai Phuan Ong.
Der primäre Killer des Zen-Zustands des Elektrons lässt sich am besten als Quantenwirbel beschreiben. Oder wie Ong es beschreibt: „Quantenversionen des Wirbels, der entsteht, wenn man eine Badewanne entleert.“
Nach dem sogenannten BKT-Übergang nach den Nobelpreisträgern Vadim Berezinskii, John Kosterlitz und David Thouless verschwinden diese mörderischen Unheilsstrudel in 2D-Materialien, wenn die Temperatur tief genug sinkt.
Wu und sein Team untersuchten diesen Raum voller Quantentornados, die supraleitende Zustände verwüsten, und stellten eine einzelne Schicht des Halbmetalls Wolframditellurid her, das bei einer Temperatur von mehr als einem Whisker über dem absoluten Nullpunkt ein energieerstickender Isolator ist.
Das Einpumpen genügender Elektronen zwingt jedoch einen Strom, supraleitend zu fließen.
Doch als die Temperatur sank, bemerkten die Forscher etwas ziemlich Seltsames. Fügen Sie genügend Elektronen hinzu, erhalten Sie Supraleitung. Bei einem kritischen Niveau des Elektronenverkehrs kehren jedoch diese partyfreudigen Wirbelstürme des Quantenwahnsinns zurück und schalten den Strom ab.
Die Messung der Wirbel ergab, dass es sich nicht um durchschnittliche Quantenwirbel handelte, die auch bei höheren Temperaturen und Magnetfeldern stabil blieben, als die Theorie vorschreibt. Wenn die Anzahl der Elektronen unter einen bestimmten Wert sinkt, verschwinden die Wirbel plötzlich.
„Wir haben erwartet, dass unterhalb der kritischen Elektronendichte auf der nicht supraleitenden Seite weiterhin starke Schwankungen auftreten werden, genau wie die starken Schwankungen deutlich oberhalb der BKT-Übergangstemperatur“, sagt Wu.
„Wir fanden jedoch heraus, dass die Wirbelsignale ‚plötzlich‘ verschwinden, sobald die kritische Elektronendichte überschritten wird. Und das war ein Schock. Wir können diese Beobachtung überhaupt nicht erklären – den ‚plötzlichen Tod‘ der Fluktuationen.“
Neue Modelle eröffnen die Möglichkeiten neuer Forschungswege, die möglicherweise zu neuen Technologien führen. Angesichts der potenziellen Vorteile der Entwicklung von Supraleitung bei Raumtemperatur ist es hilfreich, eine gute Wetterkarte der Quantenlandschaft zu haben.
Diese Forschung wurde veröffentlicht in Naturphysik.