Dramatični napredak u kvantnom računarstvu, pametni telefoni koji se moraju puniti samo jednom mesečno, vozovi koji levitiraju i kreću se superbrzinom. Tehnološki skokovi poput ovih mogli bi da revolucionišu društvo, ali ostaju uglavnom van domašaja sve dok se superprovodljivost – tok električne energije bez otpora ili rasipanja energije – ne razume u potpunosti.
Jedno od glavnih ograničenja za primenu ove tehnologije u stvarnom svetu je da materijali koji omogućavaju supravodljivost obično moraju da budu na ekstremno niskim temperaturama da bi dostigli taj nivo električne efikasnosti. Da bi zaobišli ovu granicu, istraživači treba da izgrade jasnu sliku o tome kako različiti supravodljivi materijali izgledaju na atomskoj skali dok prelaze kroz različita stanja materije da bi postali superprovodnici.
Naučnici u laboratoriji Univerziteta Braun, koji rade sa međunarodnim timom naučnika, pomerili su se za mali korak bliže razotkrivanju ove misterije za nedavno otkrivenu porodicu superprovodljivih metala Kagome. U novoj studiji, oni su koristili inovativnu novu strategiju koja kombinuje nuklearnu magnetnu rezonancu i teoriju kvantne modeliranja kako bi opisali mikroskopsku strukturu ovog superprovodnika na 103 stepena Kelvina, što je ekvivalentno oko 275 stepeni ispod 0 stepeni Farenhajta.
Istraživači su opisali svojstva ovog bizarnog stanja materije za ono što se veruje prvi put u Phisical Reviev Research. Na kraju, otkrića predstavljaju novo dostignuće u stalnom maršu ka supraprovodnicima koji rade na višim temperaturama. Superprovodnici koji mogu da rade na sobnoj temperaturi (ili blizu nje) smatraju se svetim gralom fizike kondenzovane materije zbog ogromnih tehnoloških mogućnosti koje bi otvorile u energetskoj efikasnosti, uključujući prenos električne energije, transport i kvantno računarstvo.
„Ako ćete ikada nešto da konstruišete i da to učinite komercijalnim, morate da znate kako da to kontrolišete“, rekla je Braun profesorka fizike Vesna Mitrović, koja vodi NMR grupu za kondenzovanu materiju na Univerzitetu i koautor je nove studija. „Kako da to opišemo? Kako da ga prilagodimo tako da dobijemo ono što želimo? Pa, prvi korak u tome je da znate koja su stanja mikroskopski. Morate da počnete da gradite potpunu sliku o tome. “
Nova studija se fokusira na superprovodnik RbV3Sb5, koji je napravljen od metala rubidijum vanadijuma i antimona. Materijal je dobio ime zbog svoje osebujne atomske strukture, koja podseća na obrazac tkanja korpe koji sadrži međusobno povezane trouglove u obliku zvezde. Materijali Kagomea fasciniraju istraživače zbog uvida koji pružaju u kvantne fenomene, premošćujući dva najosnovnija polja fizike — topološku kvantnu fiziku i fiziku kondenzovane materije.
Prethodni radovi različitih grupa su utvrdili da ovaj materijal prolazi kroz kaskadu različitih faznih prelaza kada se temperatura snizi, formirajući različita stanja materije sa različitim egzotičnim svojstvima. Kada se ovaj materijal dovede na 103 stepena Kelvina, struktura rešetke se menja i materijal pokazuje ono što je poznato kao talas gustine naelektrisanja, gde gustina električnog naboja skače gore-dole. Razumevanje ovih skokova je važno za razvoj teorija koje opisuju ponašanje elektrona u kvantnim materijalima kao što su superprovodnici.
Ono što ranije nije viđeno u ovoj vrsti Kagome metala je kako je izgledala fizička struktura ove rešetke i reda naelektrisanja na temperaturi koju su istraživači gledali, što je stanje najviše temperature u kojem metal počinje da prelazi između različitih stanja materije. .
Koristeći novu strategiju koja kombinuje NMR merenja i teoriju modeliranja poznatu kao teorija funkcionalne gustine koja se koristi za simulaciju električne strukture i položaja atoma, tim je uspeo da opiše novu strukturu u koju se rešetka menja i njen talas gustine naelektrisanja.
Oni su pokazali da se struktura pomera sa šablona 2k2k1 sa šablonom Davidove zvezde sa potpisom na šablon 2k2k2. Ovo se dešava zato što se Kagome rešetka pretvara u sebe kada temperatura postane izuzetno hladna. Nova rešetka u koju prelazi uglavnom je sastavljena od odvojenih šestouglova i trouglova, pokazali su istraživači. Takođe su pokazali kako se ovaj obrazac povezuje kada uzmu jednu ravan strukture RbV3Sb5 i rotiraju je, „gledajući“ u nju iz drugog ugla.
Kao da ovaj Kagome sada postaje ove komplikovane stvari koje se cepaju na dva dela“, rekao je Mitrović. „Proteže rešetku tako da Kagome postaje ova kombinacija šestouglova i trouglova u jednoj ravni, a zatim u sledećoj ravni, nakon što je rotirate za pola kruga, ona se ponavlja.“
Ispitivanje ove atomske strukture je neophodan korak za obezbeđivanje kompletnog portreta egzotičnih stanja materije u koje ovaj superprovodni materijal prelazi, rekli su istraživači. Oni veruju da će otkrića dovesti do daljeg podsticanja na to da li ova formacija i njena svojstva mogu pomoći supravodljivosti ili je to nešto što bi trebalo potisnuti da bi se napravili bolji superprovodnici. Nova jedinstvena tehnika koju su koristili takođe će omogućiti istraživačima da odgovore na čitav niz pitanja.
„Sada znamo šta je ovo i naš sledeći posao je da otkrijemo kakav je odnos sa drugim bizarnim fazama na niskim temperaturama – da li pomaže, da li se takmiči, možemo li to da kontrolišemo, možemo li to da ostvarimo na višim temperaturama, ako je korisno?“ rekao je Mitrović. „Dalje, nastavljamo da snižavamo temperaturu i učimo više.
