Vrtlozi kvantnog haosa koji se spontano pojavljuju u atomski tankim slojevima izolacionog materijala zbunili su fizičare, zahtevajući revizije modela koji bi mogli da reše neke hitne probleme u potrazi za razumevanjem supravodljivosti.
Eksperimentalni fizičari sa Univerziteta Prinston u SAD i Japanskog nacionalnog instituta za nauku o materijalima ispitali su spontanu pojavu kvantnih fluktuacija na tački prelaza od zastoja u saobraćaju elektrona na superprovodni autoput koji preseca dvodimenzionalni pejzaž.
„Kako se superprovodna faza može promeniti u drugu fazu je intrigantna oblast proučavanja“, kaže fizičar sa Prinstona i stariji autor, Sanfeng Vu.
„I mi smo već neko vreme zainteresovani za ovaj problem u atomski tankim, čistim i monokristalinskim materijalima.“
Elektroni koji lebde kroz bakarne žice iza vašeg suhozida teško se kreću od A do B. Uključite televizor i ludilo se u vršnim satima razvija u tim žicama, sa elektronima koji se zavijaju i udaraju, udaraju u svoje male elektronske rogove i tresu svoje male elektronske pesnice dok se njihovi sićušni elektronski motori pregrevaju.
Superprovodljivost je san. To je pokret bez napora od početka do kraja. Nema toplote, nema izgubljene energije. Efikasan je koliko je efikasan, savršen za generisanje moćnih elektromagnetnih polja ili brzog računarstva koje se ne topi u lokvici.
Ipak, nije baš laka faza provodljivosti za proizvodnju. To se dešava kada elektroni izgube osećaj individualnosti i padaju u sinhronizaciju, formirajući ono što je poznato kao Cooper parovi, sposobni da pregovaraju o atomskom susedstvu sa zen lakoćom.
Ovo zahteva nivo hladnoće koji se može postići samo sa nekom prilično impresivnom opremom za teške uslove rada. Ipak, ako bi istraživači mogli tačno da shvate šta pokreće ovu kvantnu tranziciju i ulogu koju temperatura igra, možda bi mogli da se zadovolje sa malo manje hlađenja.
Jedna oblast istraživanja uključuje ispitivanje kvantnog ponašanja elektrona zarobljenih na ono što su efektivno 2D površine. Lišeni mogućnosti da se kreću gore-dole, kvantni fenomeni čine njihov prelazak u supravodljivo stanje mnogo izazovnijim.
„Kako idete u niže dimenzije, fluktuacije postaju toliko jake da ‘ubijaju’ svaku mogućnost supravodljivosti“, kaže fizičar s Prinstona Nai Phuan Ong.
Primarni ubica zen stanja elektrona najbolje je opisati kao kvantni vrtlog. Ili kako to Ong opisuje, „kvantne verzije vrtloga koji se vide kada ispraznite kadu“.
Prema onome što je poznato kao BKT tranzicija, nakon nobelovaca Vadima Berezinskog, Džona Kosterlica i Dejvida Taulesa, ovi ubilački vrtlozi propasti nestaju u 2D materijalima kada temperatura padne dovoljno nisko.
Istražujući ovaj prostor kvantnih tornada koji pustoše sa supravodljivim stanjima, Vu i njegov tim napravili su jedan sloj polumetalnog volframovog ditelurida, koji je u bilo čemu toplijim od brkova iznad apsolutne nule izolator koji guši energiju.
Pumpanje dovoljno elektrona, međutim, prisiljava struju da teče na supravodljivi način.
Ipak, istraživači su primetili nešto prilično bizarno kada je temperatura opala. Dodajte dovoljno elektrona, dobićete superprovodljivost. Na kritičnom nivou saobraćaja elektrona, međutim, vraćaju se ti vrtlozi kvantnog ludila koji provode zabavu, isključujući struju.
Merenje vrtloga je otkrilo da to nisu bili vaši prosečni kvantni vrtlozi, koji su ostali stabilni na višim temperaturama i magnetnim poljima nego što teorija nalaže. Kada broj elektrona padne ispod precizne količine, vrtlozi iznenada nestaju.
„Očekivali smo da ćemo videti da će jake fluktuacije opstati ispod kritične elektronske gustine na strani koja nije superprovodna, baš kao i jake fluktuacije koje se vide znatno iznad BKT prelazne temperature“, kaže Vu.
„Ipak, ono što smo otkrili je da signali vrtloga ‘iznenada’ nestaju u trenutku kada se pređe kritična elektronska gustina. I ovo je bio šok. Ne možemo uopšte da objasnimo ovo zapažanje – ‘iznenadnu smrt’ fluktuacija.“
Novi modeli uvode mogućnosti novih puteva istraživanja koja bi samo mogla dovesti do nove tehnologije. Imajući u vidu potencijalne nagrade za razvoj superprovodljivosti na sobnoj temperaturi, pomaže imati dobru mapu vremena na kvantnom pejzažu.
Ovo istraživanje je objavljeno u Nature Physics.
