„Purple Bronze Discovery“ odhaluje „dokonalý klíč“ k budoucí technologii

Kvantoví vědci objevili fenomén ve fialovém bronzu, který by mohl být klíčový pro vývoj „dokonalého spínače“ v kvantových zařízeních, která přepínají mezi izolantem a supravodičem.

Výzkum provedený Bristolskou univerzitou a publikovaný v vědyTyto dva protichůdné elektronické stavy se nacházejí v fialovém bronzu, jedinečném jednorozměrném kovu složeném z řetězců jednotlivých vodivých atomů.

Například malé změny v materiálu, vyvolané malým podnětem, jako je teplo nebo světlo, mohou spustit okamžitý přechod z izolačního stavu s nulovou vodivostí do supravodiče s neomezenou vodivostí a naopak. Tato polarizační diverzita, známá jako „emergentní symetrie“, má potenciál poskytnout dokonalé zapnutí/vypnutí v budoucím vývoji kvantové technologie.

Obrázek ukazuje reprezentaci vznikající symetrie, která ukazuje dokonale symetrickou kapku vody vystupující z vrstvy ledu. Naproti tomu ledové krystaly ve sněhu mají složitý tvar, a proto jsou méně symetrické než kapka vody. Fialová barva označuje fialovo-bronzový materiál, ve kterém byl tento jev objeven. Kredit: University of Bristol

13letá cesta

Vedoucí autor Nigel Hussey, profesor fyziky na University of University of Bristol„Je to opravdu vzrušující objev, který by mohl poskytnout dokonalý klíč k budoucím kvantovým zařízením,“ řekl.

„Fascinující cesta začala před 13 lety v mé laboratoři, když dva doktorandi, Xiaofeng Xu a Nick Wickham, měřili magnetorezistenci – změnu odporu způsobenou magnetickým polem – fialového bronzu.“

Při absenci magnetického pole byl odpor fialového bronzu vysoce závislý na směru, kterým elektrický proud vstoupil. Složitá byla i její teplotní závislost. Při pokojové teplotě je měrný odpor kovový, ale s klesající teplotou se to obrátí a materiál se zdá, že se změní na izolant. Poté při nejnižších teplotách odpor opět klesá, protože se mění v supravodič. Navzdory této složitosti je magnetorezistence překvapivě jednoduchá. Bylo to v podstatě stejné bez ohledu na směr, ve kterém byl proud nebo pole zarovnáno, a sledovalo dokonalou lineární teplotní závislost od pokojové teploty až po teplotu supravodivého přechodu.

„Nebylo nalezeno žádné koherentní vysvětlení pro toto záhadné chování a data zůstala nečinná a nepublikovaná dalších sedm let. Mezera jako je tato je v kvantovém výzkumu neobvyklá, ačkoli důvodem pro to nebyl nedostatek statistik,“ profesor Hussey vysvětlil.

„Taková jednoduchost magnetické odezvy je vždy v rozporu se složitým původem, a jak se ukazuje, její potenciální řešení se objeví pouze při náhodném setkání.“

Náhodné setkání vede k průlomu

V roce 2017 působil profesor Hussey na Radboudově univerzitě a viděl reklamu na seminář fyzika Dr. Piotra Chudzinského na téma fialový bronz. V té době jen málo badatelů věnovalo této neznámé látce celé sympozium, takže jeho zájem vzbudil zájem.

Profesor Hussey řekl: „Na sympoziu Chudzinski navrhl, že vysoká odolnost by mohla být způsobena interferencí mezi vodivými elektrony a nepolapitelnými kompozitními částicemi známými jako „temné excitony“. Po sympoziu jsme si povídali a společně navrhli experiment, abychom ověřili jeho teorii. Naše následná měření to v podstatě potvrdila.“

Díky tomuto úspěchu profesor Hussey oživil data magnetorezistence Shawa a Wakehama a předložil je Dr. Chudzinskimu. Dva klíčové rysy dat – linearita s teplotou a nezávislost na aktuálním směru a poli – Chudzinského zaujaly, stejně jako skutečnost, že stejný materiál může vykazovat izolační a supravodivé chování v závislosti na tom, jak materiál roste.

Dr. Chudzinski uvažoval, zda interakce mezi nosiči náboje a excitony, které představil dříve, namísto úplného převedení na izolační, může způsobit, že nosiče náboje budou při klesající teplotě gravitovat směrem k hranici mezi izolačními a supravodivými stavy. Při stejných mezích je pravděpodobnost, že systém bude izolantem nebo supravodičem, v podstatě stejná.

Profesor Hussey řekl: „Taková fyzická symetrie je neobvyklý případ a vytvoření takové symetrie v kovu s klesající teplotou, odtud termín ‚emergentní symetrie‘, by bylo světovou novinkou.“

Fyzikové dobře znají fenomén narušení symetrie: snížení symetrie elektronového systému při ochlazení. Složité uspořádání molekul vody v ledovém krystalu je příkladem této porušené symetrie. Ale opak je extrémně vzácný, ne-li ojedinělý výskyt. Vrátíme-li se k analogii voda/led, je to, jako by se po dalším ochlazení ledu složitost ledových krystalů „roztavila“ zpět do něčeho konzistentního a hladkého jako kapka vody.

Emergenční symetrie: vzácný jev

Dr Chudzinski, nyní vědecký pracovník na Queen’s University Belfast, řekl: „Představte si kouzelný trik, kdy se nudný, zdeformovaný tvar promění v krásnou, dokonale symetrickou kouli. To je stručně řečeno podstata vznikající symetrie. Člověk v otázkou je náš materiál, fialový bronz, zatímco naším kouzelníkem je sama příroda.“

Pro další testování, zda teorie obsahuje vodu, bylo dalších 100 jednotlivých krystalů, některé izolační a jiné supravodivé, zkoumáno dalším doktorandem Martinem Berbinem, který působí na Radboudově univerzitě.

Profesor Hussey dodal: „Po Martinově titánském úsilí je příběh kompletní a důvod, proč se zdá, že různé krystaly mají tak zcela odlišné základní stavy, je jasný. Při pohledu do budoucnosti může být možné využít tuto „novinku“ k vytvoření přepínačů kvantové obvody, kde malé podněty spouštějí Hluboké, velké změny spínacího odporu.

Odkaz: „Vznikající symetrie v nízkorozměrném supravodiči na hraně Mottness“ od P. Chudzinski, M. Berben, Xiaofeng Xu, N. Wakeham, B. Bernáth, C. Duffy, R. D. H. Hinlopen, Yu-Te Hsu, S. Weidman, B. Tinnemans, Rongying Jin, M. Greenblatt, N. E. Hussey, 16. listopadu 2023, vědy.
doi: 10.1126/science.abp8948