وبلاگ

فیزیکدانان پرینستون در حین آزمایش با یک عایق به ضخامت سه اتم که به راحتی می تواند به یک ابررسانا تبدیل شود، تغییر چشمگیری در رفتار کوانتومی کشف کرده اند.

این تحقیق وعده می دهد که درک ما از فیزیک کوانتومی در جامدات را به طور کلی ارتقا دهد و همچنین مطالعه فیزیک ماده متراکم کوانتومی و ابررسانایی را در جهت های بالقوه جدید سوق دهد. این نتایج در مجله منتشر شد فیزیک طبیعی در مقاله‌ای با عنوان بحرانی کوانتومی ابررسانا غیر متعارف در تک لایه WTe₂“

محققان به سرپرستی سانفنگ وو، استادیار فیزیک در دانشگاه پرینستون، دریافتند که توقف ناگهانی (یا “مرگ”) نوسانات مکانیکی کوانتومی یک سری رفتارها و خواص کوانتومی منحصربه‌فرد را نشان می‌دهد که به نظر می‌رسد فراتر از محدوده تعیین شده است. نظریه ها.

نوسانات تغییرات تصادفی موقتی در حالت ترمودینامیکی ماده ای است که در آستانه گذار فاز قرار دارد. یک مثال آشنا از انتقال فاز، ذوب شدن یخ به آب است. آزمایش پرینستون نوساناتی را که در یک ابررسانا در دمای نزدیک به صفر مطلق رخ می دهد، بررسی می کند.

وو گفت: «آنچه ما با نگاه مستقیم به نوسانات کوانتومی نزدیک به گذار دریافتیم، شواهد روشنی از یک انتقال فاز کوانتومی جدید بود که از توصیفات نظری استاندارد شناخته شده در این زمینه تبعیت نمی کند. هنگامی که این پدیده را درک می کنیم، فکر می کنیم احتمال واقعی وجود دارد که یک نظریه هیجان انگیز و جدید پدیدار شود.

فازهای کوانتومی و ابررسانایی

در دنیای فیزیکی، انتقال فاز زمانی اتفاق می‌افتد که ماده‌ای مانند مایع، گاز یا جامد از حالت یا شکلی به حالت دیگر تغییر کند. اما انتقال فاز در سطح کوانتومی نیز اتفاق می افتد. آنها در دمای نزدیک به صفر مطلق (273.15- درجه سانتیگراد) رخ می دهند و شامل تنظیم مداوم برخی از پارامترهای خارجی مانند فشار یا میدان مغناطیسیبدون افزایش دما

محققان به ویژه به چگونگی رخ دادن انتقال فاز کوانتومی در ابررساناها علاقه مند هستند، موادی که الکتریسیته را بدون مقاومت هدایت می کنند. ابررساناها می توانند روند اطلاعات را سرعت بخشند و اساس آهنرباهای قدرتمندی را تشکیل دهند که در مراقبت های بهداشتی و حمل و نقل استفاده می شوند.

وو می‌گوید: «چگونه می‌توان یک فاز ابررسانا را به فاز دیگر تغییر داد، یک حوزه تحقیقاتی جالب است. و ما مدتی است که به این مشکل در مواد اتمی نازک، خالص و تک کریستالی علاقه مند بوده ایم.

ابررسانایی زمانی اتفاق می‌افتد که الکترون‌ها با هم جفت می‌شوند و بدون مقاومت و اتلاف انرژی به صورت هماهنگ در جریان هستند. به طور معمول، الکترون‌ها در مدارها و سیم‌ها به شیوه‌ای آشفته حرکت می‌کنند و به گونه‌ای به یکدیگر برخورد می‌کنند که در نهایت ناکارآمد است و انرژی را هدر می‌دهد. اما در حالت ابررسانا، الکترون‌ها به گونه‌ای هماهنگ عمل می‌کنند که انرژی کارآمد باشد.

ابررسانایی از سال 1911 شناخته شده است، هرچند که چگونه و چرا کار می کند تا سال 1956، زمانی که مکانیک کوانتومی شروع به روشن کردن این پدیده کرد، تا حد زیادی یک راز باقی ماند. اما فقط در دهه گذشته ابررسانایی در مواد دو بعدی خالص و نازک اتمی مورد بررسی قرار گرفته است. در واقع، مدتها تصور می شد که ابررسانایی در دنیای دو بعدی غیرممکن است.

N. Fuan Ong، استاد فیزیک یوجین هیگینز در دانشگاه پرینستون و نویسنده این گزارش، گفت: “این اتفاق به این دلیل رخ داد که با رفتن به ابعاد پایین تر، نوسانات آنقدر قوی می شوند که هرگونه امکان ابررسانایی را از بین می برند.”

راه اصلی که در آن نوسانات ابررسانایی دو بعدی را از بین می برند، از طریق تولید خود به خودی چیزی است که گرداب کوانتومی (جمع: گرداب) نامیده می شود.

هر گردابی شبیه یک گرداب کوچک است که از یک رشته میکروسکوپی میدان مغناطیسی که در یک جریان الکترونی دوار گیر کرده است، تشکیل شده است. هنگامی که نمونه بالاتر از دمای مشخصی قرار می گیرد، گرداب ها به طور خود به خود به صورت جفت ظاهر می شوند: گرداب ها و ضد گرداب ها. حرکت سریع آنها حالت ابررسانا را از بین می برد.

اونگ گفت: “گرداب مانند یک گرداب است.” “آنها نسخه های کوانتومی گردابی هستند که هنگام تخلیه وان حمام می بینید.”

اکنون فیزیکدانان می دانند که ابررسانایی در لایه های فوق نازک زیر یک سطح مشخص وجود دارد دمای بحرانی به نام گذار BKT شناخته می شود که به نام فیزیکدانان ماده متراکم وادیم برزینسکی، جان کوسترلیتز و دیوید تولس نامگذاری شده است. دو نفر اخیر جایزه نوبل فیزیک 2016 را با فیزیکدان پرینستون، F. Duncan Haldane، استاد فیزیک در دانشگاه شرمن فیرچایلد به اشتراک گذاشتند.

نظریه BKT به طور گسترده به عنوان توصیفی موفق از چگونگی انتشار گرداب های کوانتومی در ابررساناهای دو بعدی و تخریب ابررسانایی در نظر گرفته می شود. این تئوری زمانی اعمال می شود که انتقال ابررسانا با گرم کردن نمونه القا شود.

آزمایش حاضر

این سوال که چگونه ابررسانایی دو بعدی را می توان بدون افزایش دما از بین برد، یک منطقه فعال تحقیقاتی در زمینه ابررسانایی و انتقال فاز است. در دماهای نزدیک به صفر مطلق، یک انتقال کوانتومی توسط نوسانات کوانتومی القا می شود. در این سناریو، انتقال با انتقال BKT مبتنی بر دما متفاوت است.

محققان با یک کریستال توده ای از دیتلورید تنگستن (WTe₂) که به عنوان نیمه فلزی لایه ای طبقه بندی می شود. محققان با تبدیل دیتلورید تنگستن به یک ماده دوبعدی با لایه برداری یا لایه برداری فزاینده این ماده تا یک لایه به نازکی یک اتم شروع کردند.

در این سطح از نازکی، این ماده مانند یک عایق بسیار قوی عمل می کند، به این معنی که الکترون های آن حرکت محدودی دارند و بنابراین نمی توانند الکتریسیته را هدایت کنند. به طور شگفت انگیزی، محققان دریافتند که این ماده تعدادی رفتار کوانتومی جدید از خود نشان می دهد، مانند جابجایی بین فازهای عایق و ابررسانا. آنها توانستند این رفتار سوئیچینگ را با ساختن دستگاهی که درست مانند کلید روشن و خاموش عمل می کند، کنترل کنند.

اما این تنها قدم اول بود. سپس محققان مواد را در معرض دو شرط مهم قرار دادند. اولین کاری که آنها انجام دادند سرد کردن دیتلورید تنگستن تا دمای بسیار پایین، تقریباً 50 میلی‌کلوین (mK) بود.

پنجاه میلی‌کلوین 273.10- درجه سانتیگراد (یا -459.58 درجه فارنهایت) است، دمایی فوق‌العاده پایین که در آن اثرات مکانیکی کوانتومی غالب است.

سپس محققان با وارد کردن تعدادی الکترون اضافی به ماده، ماده را از یک عایق به یک ابررسانا تبدیل کردند. برای رسیدن به حالت ابررسانا، ولتاژ زیادی لازم نیست. Tiancheng Song، یکی از همکاران فوق دکتری فیزیک و نویسنده اصلی مقاله، می گوید: «فقط مقدار کمی ولتاژ دروازه می تواند ماده را از یک عایق به یک ابررسانا تبدیل کند. “این واقعا یک اثر قابل توجه است.”

محققان دریافتند که می توانند با تنظیم چگالی الکترون در ماده از طریق ولتاژ دروازه، خواص ابررسانا را دقیقاً کنترل کنند. در چگالی الکترونی بحرانی، گرداب های کوانتومی به سرعت تکثیر می شوند و ابررسانایی را از بین می برند و باعث انتقال فاز کوانتومی می شوند.

برای تشخیص وجود این گرداب‌های کوانتومی، محققان یک گرادیان دمایی کوچک در سراسر نمونه ایجاد کردند که باعث شد یک طرف دی‌تلورید تنگستن کمی گرم‌تر از طرف دیگر باشد. اونگ گفت: “گرداب ها به دنبال پایان خنک تر هستند.” “در گرادیان دما، تمام گرداب‌های نمونه به سمت قسمت خنک‌تر حرکت می‌کنند، بنابراین آنچه شما ایجاد کرده‌اید رودخانه‌ای از گرداب‌ها است که از قسمت گرم‌تر به قسمت خنک‌تر جریان دارد.”

جریان گردابی یک سیگنال ولتاژ قابل تشخیص در یک ابررسانا تولید می کند. این به دلیل اثری است که به نام فیزیکدان برنده جایزه نوبل برایان جوزفسون نامگذاری شده است، که نظریه او پیش بینی می کند که هرگاه جریانی از گرداب ها از خط کشیده شده بین دو تماس الکتریکی عبور کند، ولتاژ عرضی ضعیفی تولید می کند که می تواند توسط نانوولت متر تشخیص داده شود.

ما می توانیم تأیید کنیم که این اثر جوزفسون است. اگر میدان مغناطیسی را معکوس کنید، ولتاژ شناسایی شده معکوس می شود.

وو افزود: “این یک امضای جریان گردابی بسیار خاص است.” “تشخیص مستقیم این گرداب های متحرک ابزاری تجربی برای اندازه گیری نوسانات کوانتومی در نمونه به ما می دهد که در غیر این صورت دستیابی به آن دشوار است.”

پدیده های کوانتومی شگفت انگیز

هنگامی که نویسندگان توانستند این نوسانات کوانتومی را اندازه گیری کنند، یک سری پدیده های غیرمنتظره را کشف کردند. اولین شگفتی، استحکام قابل توجه گرداب ها بود. این آزمایش نشان داد که این گرداب ها در دماها و میدان های مغناطیسی بسیار بالاتر از حد انتظار باقی می مانند. آنها در دماها و میدان های بسیار بالاتر از فاز ابررسانا، در فاز مقاومتی ماده زنده می مانند.

دومین شگفتی بزرگ این است که سیگنال گرداب ناگهان ناپدید شد زمانی که چگالی الکترون درست زیر مقدار بحرانی تنظیم شد که در آن انتقال فاز کوانتومی حالت ابررسانا اتفاق می افتد. در این مقدار بحرانی چگالی الکترون، که محققان آن را نقطه بحرانی کوانتومی (QCP) می‌نامند، که نقطه‌ای در دمای صفر را در نمودار فاز نشان می‌دهد، نوسانات کوانتومی باعث انتقال فاز می‌شوند.

وو گفت: “ما انتظار داشتیم شاهد نوسانات قوی در زیر چگالی الکترون بحرانی در سمت غیر ابررسانا باشیم، درست مانند نوسانات قوی که بسیار بالاتر از دمای گذار BKT مشاهده شده است.”

با این حال، آنچه ما دریافتیم این است که سیگنال‌های گردابی به‌محض عبور از چگالی حساس الکترون، ناگهان ناپدید می‌شوند. و این یک شوک بود. ما اصلاً نمی‌توانیم این مشاهده را توضیح دهیم، یعنی «مرگ ناگهانی» نوسانات».

اونگ افزود: «به عبارت دیگر، نوع جدیدی از کوانتا را کشف کردیم نقطه بحرانیاما ما آن را درک نمی کنیم.»

در زمینه فیزیک ماده چگال، در حال حاضر دو نظریه تثبیت شده وجود دارد که انتقال فاز ابررسانا را توضیح می دهد، نظریه گینزبورگ-لاندو و نظریه BKT. با این حال، محققان دریافتند که هیچ یک از این نظریه ها پدیده های مشاهده شده را توضیح نمی دهند.

وو گفت: «ما به یک نظریه جدید برای توصیف آنچه در این مورد می‌گذرد نیاز داریم، و این چیزی است که امیدواریم در کارهای آینده، هم از نظر تئوری و هم تجربی به آن نگاه کنیم.»