Quantenwissenschaftler haben in Purpurbronze, einem eindimensionalen Metall, ein Phänomen entdeckt, das es ihm ermöglicht, zwischen isolierenden und supraleitenden Zuständen zu wechseln. Dieser durch minimale Reize wie Wärme oder Licht ausgelöste Wechsel ist auf die „emergent symmetry“ zurückzuführen. Diese bahnbrechende Entdeckung, die durch die Erforschung des Magnetowiderstands des Metalls initiiert wurde, könnte zur Entwicklung perfekter Schalter in Quantengeräten führen, einem potenziellen Meilenstein in der Quantentechnologie.
Quantenwissenschaftler haben ein Phänomen in violetter Bronze entdeckt, das der Schlüssel zur Entwicklung eines „perfekten Schalters“ in Quantengeräten sein könnte, der zwischen Isolator und Supraleiter wechselt.
Die von der University of Bristol geleitete und in veröffentlichten Studie Wissenschaftfanden heraus, dass diese beiden gegensätzlichen elektronischen Zustände in Purpurbronze existieren, einem einzigartigen eindimensionalen Metall, das aus einzelnen leitenden Atomketten besteht.
Winzige Veränderungen im Material, die beispielsweise durch einen kleinen Reiz wie Wärme oder Licht ausgelöst werden, können einen sofortigen Übergang von einem isolierenden Zustand ohne Leitfähigkeit zu einem Supraleiter mit unbegrenzter Leitfähigkeit und umgekehrt auslösen. Diese polarisierte Vielseitigkeit, bekannt als „emergente Symmetrie“, hat das Potenzial, einen idealen Ein-/Ausschalter für zukünftige Entwicklungen der Quantentechnologie zu bieten.
Das Bild zeigt eine Darstellung der entstehenden Symmetrie und zeigt einen perfekt symmetrischen Wassertropfen, der aus einer Schneeschicht austritt. Die Eiskristalle im Schnee hingegen haben eine komplexe Form und daher eine geringere Symmetrie als der Wassertropfen. Die violette Farbe bezeichnet das violette Bronzematerial, in dem dieses Phänomen entdeckt wurde. Bildnachweis: Universität Bristol
Eine 13-jährige Reise
Hauptautor Nigel Hussey, Professor für Physik an der Universität Bristolsagte: „Es ist eine wirklich aufregende Entdeckung, die einen perfekten Schalter für Quantengeräte von morgen darstellen könnte.“
„Die bemerkenswerte Reise begann vor 13 Jahren in meinem Labor, als zwei Doktoranden, Xiaofeng Xu und Nick Wakeham, den Magnetowiderstand – die durch ein Magnetfeld verursachte Widerstandsänderung – von violetter Bronze maßen.“
In Abwesenheit eines Magnetfelds hing der Widerstand von Purpurbronze stark von der Richtung ab, in die der elektrische Strom eingespeist wurde. Auch seine Temperaturabhängigkeit war ziemlich kompliziert. Bei Raumtemperatur ist der Widerstand metallisch, aber wenn die Temperatur sinkt, kehrt sich dieser um und das Material scheint sich in einen Isolator zu verwandeln. Dann, bei den niedrigsten Temperaturen, sinkt der Widerstand wieder und es entsteht ein Supraleiter. Trotz dieser Komplexität erwies sich der Magnetowiderstand überraschenderweise als äußerst einfach. Es war im Wesentlichen dasselbe, unabhängig von der Richtung, in der der Strom oder das Feld ausgerichtet war, und folgte einer perfekten linearen Temperaturabhängigkeit von der Raumtemperatur bis zur supraleitenden Übergangstemperatur.
„Da es keine kohärente Erklärung für dieses rätselhafte Verhalten gab, lagen die Daten für die nächsten sieben Jahre inaktiv und wurden unveröffentlicht veröffentlicht. Eine solche Pause ist in der Quantenforschung ungewöhnlich, obwohl der Grund dafür nicht ein Mangel an Statistiken war“, erklärte Prof. Hussey.
„Eine solche Einfachheit der magnetischen Reaktion täuscht immer über einen komplexen Ursprung hinweg, und wie sich herausstellt, würde ihre mögliche Auflösung nur durch eine zufällige Begegnung zustande kommen.“
Eine zufällige Begegnung führt zum Durchbruch
Im Jahr 2017 arbeitete Prof. Hussey an der Radboud-Universität und sah eine Ausschreibung für ein Seminar des Physikers Dr. Piotr Chudzinski zum Thema Purpurbronze. Damals widmeten nur wenige Forscher diesem wenig bekannten Material ein ganzes Seminar, sodass sein Interesse geweckt war.
Prof. Hussey sagte: „In dem Seminar schlug Chudzinski vor, dass der Widerstandsanstieg durch Interferenzen zwischen den Leitungselektronen und schwer fassbaren, zusammengesetzten Teilchen, die als ‚dunkle Exzitonen‘ bekannt sind, verursacht werden könnte.“ Wir unterhielten uns nach dem Seminar und schlugen gemeinsam ein Experiment vor, um seine Theorie zu testen. Unsere anschließenden Messungen haben dies im Wesentlichen bestätigt.“
Beflügelt von diesem Erfolg ließ Prof. Hussey die Magnetowiderstandsdaten von Xu und Wakeham wieder aufleben und zeigte sie Dr. Chudzinski. Die beiden zentralen Merkmale der Daten – die Linearität mit der Temperatur und die Unabhängigkeit von der Ausrichtung von Strom und Feld – faszinierten Chudzinski, ebenso wie die Tatsache, dass das Material selbst je nach Züchtung sowohl isolierendes als auch supraleitendes Verhalten zeigen konnte.
Dr. Chudzinski fragte sich, ob die Wechselwirkung zwischen den Ladungsträgern und den Exzitonen, die er zuvor eingeführt hatte, dazu führen könnte, dass erstere bei sinkender Temperatur in Richtung der Grenze zwischen dem isolierenden und dem supraleitenden Zustand tendieren, anstatt sich vollständig in einen Isolator zu verwandeln. An der Grenze selbst ist die Wahrscheinlichkeit, dass das System ein Isolator oder ein Supraleiter ist, im Wesentlichen gleich.
Prof. Hussey sagte: „Eine solche physikalische Symmetrie ist ein ungewöhnlicher Zustand, und die Entwicklung einer solchen Symmetrie in einem Metall bei sinkender Temperatur – daher der Begriff ‚aufkommende Symmetrie‘ – wäre eine Weltneuheit.“
Physiker sind mit dem Phänomen des Symmetriebruchs bestens vertraut: dem Absinken der Symmetrie eines Elektronensystems beim Abkühlen. Die komplexe Anordnung von Wassermolekülen in einem Eiskristall ist ein Beispiel für eine solche gebrochene Symmetrie. Das Gegenteil ist jedoch ein äußerst seltenes, wenn nicht einzigartiges Ereignis. Zurück zur Wasser/Eis-Analogie: Es ist, als ob die Komplexität der Eiskristalle bei weiterer Abkühlung des Eises wieder zu etwas so Symmetrischem und Glattem wie dem Wassertropfen „schmilzt“.
Emergent Symmetry: Ein seltenes Phänomen
Dr. Chudzinski, jetzt wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Queen’s University Belfast, sagte: „Stellen Sie sich einen Zaubertrick vor, bei dem sich eine langweilige, verzerrte Figur in eine wunderschöne, perfekt symmetrische Kugel verwandelt. Dies ist, kurz gesagt, die Essenz der entstehenden Symmetrie. Die fragliche Figur ist unser Material, lila Bronze, während unser Zauberer die Natur selbst ist.“
Um weiter zu testen, ob die Theorie Wasser enthält, wurden weitere 100 einzelne Kristalle, einige isolierend und andere supraleitend, von einem anderen Doktoranden, Maarten Berben, der an der Radboud-Universität arbeitet, untersucht.
Prof. Hussey fügte hinzu: „Nach Maartens Herkulesbemühungen war die Geschichte vollständig und der Grund, warum verschiedene Kristalle so völlig unterschiedliche Grundzustände aufwiesen, wurde klar. Mit Blick auf die Zukunft könnte es möglich sein, diese „Spannkraft“ auszunutzen, um Schalter in Quantenschaltkreisen zu schaffen, bei denen winzige Reize tiefgreifende Änderungen im Schalterwiderstand um Größenordnungen hervorrufen.“
Referenz: „Emergent symmetry in a low-dimensional supraconductor on the edge of Mottness“ von P. Chudzinski, M. Berben, Xiaofeng Xu, N. Wakeham, B. Bernáth, C. Duffy, RDH Hinlopen, Yu-Te Hsu, S . Wiedmann, P. Tinnemans, Rongying Jin, M. Greenblatt und NE Hussey, 16. November 2023, Wissenschaft.
DOI: 10.1126/science.abp8948