Quantenwissenschaftler haben in Purpurbronze, einem eindimensionalen Metall, ein Phänomen entdeckt, das es ihm ermöglicht, zwischen isolierenden und supraleitenden Zuständen zu wechseln. Dieses durch minimale Reize wie Wärme oder Licht verursachte Umschalten ist auf die „emergente Symmetrie“ zurückzuführen. Diese bahnbrechende Entdeckung, die mit der Erforschung des Magnetowiderstands von Metall begann, 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 des „perfekten Schalters“ in Quantengeräten sein könnte, die zwischen der Funktion eines Isolators und eines Supraleiters wechseln.
Von der University of Bristol durchgeführte und veröffentlicht in WissenschaftenDiese beiden gegensätzlichen elektronischen Zustände finden sich in violetter Bronze, einem einzigartigen eindimensionalen Metall, das aus Ketten einzelner leitender Atome besteht.
Beispielsweise können kleine Veränderungen in einem Material, ausgelöst durch einen kleinen Reiz wie Wärme oder Licht, einen sofortigen Übergang von einem isolierenden Zustand mit Nullleitfähigkeit zu einem Supraleiter mit unbegrenzter Leitfähigkeit und umgekehrt auslösen. Diese Polarisationsvielfalt, bekannt als „emergente Symmetrie“, hat das Potenzial, einen perfekten Ein-/Ausschalter für zukünftige Entwicklungen der Quantentechnologie bereitzustellen.
Das Bild zeigt eine Darstellung der entstehenden Symmetrie und zeigt einen perfekt symmetrischen Wassertropfen, der aus einer Eisschicht austritt. Im Gegensatz dazu haben Eiskristalle im Schnee eine komplexe Form und sind daher weniger symmetrisch als ein Wassertropfen. Die violette Farbe weist auf das violett-bronzefarbene Material hin, in dem dieses Phänomen entdeckt wurde. Bildnachweis: Universität Bristol
Eine 13-jährige Reise
Hauptautor Nigel Hussey, Professor für Physik an der University of Universität Bristol„Es ist eine wirklich aufregende Entdeckung, die einen perfekten Schlüssel für zukünftige Quantengeräte liefern könnte“, sagte er.
„Die faszinierende Reise begann vor 13 Jahren in meinem Labor, als zwei Doktoranden, Xiaofeng Xu und Nick Wickham, 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 eindrang. Auch die Temperaturabhängigkeit war komplex. Bei Raumtemperatur ist der spezifische Widerstand metallisch, aber wenn die Temperatur sinkt, kehrt sich dieser um und das Material scheint sich in einen Isolator zu verwandeln. Bei den niedrigsten Temperaturen nimmt der Widerstand dann wieder ab und es entsteht ein Supraleiter. Trotz dieser Komplexität ist der Magnetowiderstand überraschend 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.
„Für dieses rätselhafte Verhalten konnte keine schlüssige Erklärung gefunden werden, und die Daten blieben die nächsten sieben Jahre ruhend und unveröffentlicht. Eine solche Lücke ist in der Quantenforschung ungewöhnlich, obwohl der Grund dafür nicht ein Mangel an Statistiken war“, so Professor Hussey erklärt.
„Eine solche Einfachheit der magnetischen Reaktion täuscht immer über einen komplexen Ursprung hinweg, und wie sich herausstellt, wird die mögliche Lösung nur durch eine zufällige Begegnung zustande kommen.“
Eine zufällige Begegnung führt zum Durchbruch
Im Jahr 2017 arbeitete Professor Hussey an der Radboud-Universität und sah eine Anzeige für ein Seminar des Physikers Dr. Piotr Chudzinski zum Thema Purpurbronze. Damals widmeten nur wenige Forscher dieser unbekannten Substanz ein ganzes Symposium, weshalb sein Interesse geweckt war.
Professor Hussey sagte: „Auf dem Symposium schlug Chudzinski vor, dass der hohe Widerstand durch Interferenz zwischen Leitungselektronen und schwer fassbaren Verbundteilchen, bekannt als ‚dunkle Exzitonen‘, verursacht werden könnte. Wir unterhielten uns nach dem Symposium und schlugen gemeinsam ein Experiment vor, um seine Theorie zu testen. Unser.“ Nachfolgende Messungen bestätigten dies im Wesentlichen.“
Dank dieses Erfolgs belebte Professor Hussey die Magnetowiderstandsdaten von Shaw und Wakeham wieder und präsentierte sie Dr. Chudzinski. Zwei Hauptmerkmale der Daten – Linearität mit der Temperatur und Unabhängigkeit von Stromrichtung und Feld – faszinierten Chudzinski, ebenso wie die Tatsache, dass dasselbe Material isolierendes und supraleitendes Verhalten zeigen kann, je nachdem, wie das Material wächst.
Dr. Chudzinski fragte sich, ob die Wechselwirkung zwischen Ladungsträgern und Exzitonen, die er zuvor vorgestellt hatte, statt sie vollständig in einen isolierenden Zustand umzuwandeln, dazu führen könnte, dass erstere bei sinkender Temperatur in Richtung der Grenze zwischen isolierendem und supraleitendem Zustand tendieren. Bei gleichen Grenzen ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein System ein Isolator oder ein Supraleiter ist, im Wesentlichen gleich.
Professor Hussey sagte: „Eine solche physikalische Symmetrie ist ein ungewöhnlicher Fall, und die Entwicklung einer solchen Symmetrie in einem Metall bei sinkender Temperatur – daher der Begriff ‚emergente 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 diese gebrochene Symmetrie. Das Gegenteil ist jedoch ein äußerst seltenes, wenn nicht einzigartiges Ereignis. Zurück zur Wasser/Eis-Analogie: Es ist so, als ob die Komplexität der Eiskristalle nach dem weiteren Abkühlen des Eises wieder zu etwas Gleichmäßigem und Glattem „schmilzt“, wie ein Wassertropfen.
Emergente Symmetrie: ein seltenes Phänomen
Dr. Chudzinski, jetzt wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Queen’s University Belfast, sagte: „Stellen Sie sich einen Zaubertrick vor, bei dem eine stumpfe, verzerrte Form in eine wunderschöne, perfekt symmetrische Kugel verwandelt wird. Dies ist, kurz gesagt, die Essenz der entstehenden Symmetrie. Die Person in.“ Die Frage ist unser Material, die violette Bronze, während unser Zauberer die Natur selbst ist.
Um weiter zu testen, ob die Theorie Wasser enthält, wurden weitere 100 einzelne Kristalle, von denen einige isolierend und andere supraleitend sind, von einem anderen Doktoranden, Martin Berbin, der an der Radboud-Universität arbeitet, untersucht.
Professor Hussey fügte hinzu: „Nach Martins gigantischen Bemühungen ist die Geschichte abgeschlossen und der Grund, warum verschiedene Kristalle so völlig unterschiedliche Grundzustände zu haben scheinen, wird klar. Mit Blick auf die Zukunft könnte es möglich sein, diese ‚Neuheit‘ zu nutzen, um Schalter zu schaffen.“ Quantenschaltkreise, bei denen kleine Reize tiefe, große Änderungen des Schaltwiderstands auslösen.
Referenz: „Emerging symmetry in a low-dimensional supraconductor on the Mottness edge“ von P. Chudzinski, M. Berben, Xiaofeng Xu, N. Wakeham, B. Bernáth, C. Duffy, R. D. H. Hinlopen, Yu-Te Hsu, S. Weidmann, B. Tinnemans, Rongying Jin, M. Greenblatt, N. E. Hussey, 16. November 2023, Wissenschaften.
doi: 10.1126/science.abp8948