ابررسانای توپولوژیکی دارای حالت کریستالی غیرعادی است - دنیای فیزیک

ابررسانای توپولوژیکی دارای حالت کریستالی غیرعادی است - دنیای فیزیک

تمبر زمانی: 3 اوت 2023، 4:00 صبح

تجسم مدولاسیون های فضایی در پتانسیل جفت شدن ابررسانا UTe2، یک ابررسانای توپولوژیکی اخیرا کشف شده
تجسم مدولاسیون های فضایی در پتانسیل جفت شدن ابررسانا UTe2، یک ابررسانای توپولوژیکی که اخیراً کشف شده است. (حسن نیت: طبیعت 618, 921–927 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05919-7)

محققان در ایالات متحده، بریتانیا و ایرلند یک حالت ابررسانای کریستالی جدید در دی‌تلورید اورانیوم (UTe) شناسایی کرده‌اند.2). وجود این حالت تصویر مرسوم ابررسانایی را به چالش می کشد و می تواند پیامدهایی برای توسعه کامپیوترهای کوانتومی داشته باشد.

رهبر تیم می گوید: "فیزیکدانان بیش از 60 سال است که به دنبال ماده ای مانند این هستند." شوکیو وانگ، فیزیکدان ماده متراکم و محقق فوق دکتری در دانشگاه آکسفورد ، انگلستان.

ابررساناها موادی هستند که جریان الکتریکی را بدون هیچ مقاومتی هدایت می کنند. در نظریه ابررسانایی باردین-کوپر-شریفر (BCS)، انتقال به جریان جریان بدون مقاومت در دماهای پایین اتفاق می‌افتد، زمانی که الکترون‌ها بر دافعه الکتریکی متقابل خود غلبه می‌کنند و به اصطلاح «جفت‌های کوپر» را تشکیل می‌دهند که می‌توانند بدون مانع در مواد حرکت کنند. مثل یک ابر سیال

s-, p- و d-تقارن های موجی

توابع موج این جفت کوپر دارای سه نوع تقارن ممکن است: s-, d- یا p-موج. sابررساناهای موجی شامل ابررساناهای معمولی (یعنی پیرو نظریه BCS) مانند سرب، قلع و جیوه است. در این مواد، هر جفت کوپر از یک الکترون با اسپین بالا و یک الکترون با اسپین پایین تشکیل شده است. همانطور که این الکترون ها رو به روی یکدیگر حرکت می کنند، تکانه زاویه ای اسپین خالص آنها صفر است.

dابررسانایی موج در ابررساناهای غیر متعارف (غیرBCS) با دمای بالا مانند اکسیدهای مس (کوپرات) رخ می دهد. الکترون‌های موجود در این مواد نیز جفت‌های کوپر را تشکیل می‌دهند که در آن یک الکترون به سمت بالا و دیگری به سمت پایین می‌چرخد، بنابراین کل تکانه زاویه‌ای اسپین برای هر جفت دوباره صفر است. با این حال، تکانه زاویه ای مداری جفت ها غیر صفر است.

دسته نهایی، pابررساناهای موج، منحصر به فرد و بسیار متمایز است که توابع موج جفت کوپر این مواد دارای برابری فرد هستند. این بدان معناست که هر دو الکترون یا به سمت بالا یا پایین می‌چرخند و به هر جفت یک کوانتوم تکانه زاویه‌ای اسپینی می‌دهند.

p-ابررساناهای موج اخیرا توجه قابل توجهی را به خود جلب کرده اند زیرا آنها همچنین ابررسانای توپولوژیکی هستند، به این معنی که حالت های غیرعادی را در لبه های خود دارند. این حالت‌های لبه که به حالت‌های صفر مایورانا معروف هستند، ممکن است در محاسبات کوانتومی کاربرد داشته باشند. بنابراین، جستجو برای ابررساناهای توپولوژیکی قابل دوام با جفت کوپر با برابری فرد، موضوعی داغ در تحقیقات ماده کوانتومی است.

یک کریستال الکترونیکی تعبیه شده در ابر سیال پس زمینه

در کار جدید، محققان به رهبری وانگ و سی سموس دیویس در آکسفورد، همراه با کیانگ کیانگ گو of دانشگاه کرنل و جوزف پی کارول در دانشگاه کالج کرک، از تکنیکی به نام میکروسکوپ تونلی اسکن جوزفسون برای تجسم مدولاسیون های فضایی پتانسیل جفت ابررسانا در UTe استفاده کرد.2، یک ابررسانای توپولوژیکی که اخیراً کشف شده است. این تکنیک وضوح بی‌نظیر انرژی در مقیاس میکروالکترون ولت را فراهم می‌کند و به شکاف انرژی جفت الکترون اجازه می‌دهد در سطح اتمی تجسم شود.

مشاهدات این تیم نشان داد که برخی از جفت الکترون ها در UTe2 یک ساختار کریستالی در ابر سیال پس زمینه تشکیل می دهد. چنین ساختارهایی به عنوان امواج جفت الکترونی با چگالی (PDW) شناخته می‌شوند و این گروه قبلاً آنها را در s- ابررساناهای موجی و در d- ابررساناهای موجی. بنابراین آخرین نتایج نشان می دهد که حالت PDW برای همه انواع تقارن جفت کوپر مشترک است.

آنچه برای ما و جامعه ابررساناها به طور کلی هیجان انگیز است این است که PDW که ما کشف کردیم به صورت انبوه ظاهر می شود. pوانگ می گوید: ابررسانای موج. او اضافه می‌کند که جفت الکترون‌ها به نظر دارای تکانه زاویه‌ای ذاتی هستند: «اگر این درست باشد، پس آنچه ما کشف کرده‌ایم اولین PDW متشکل از جفت‌های الکترون‌های اسپین سه‌گانه‌ای است که در آن اسپین‌های هر دو الکترون در یک جهت قرار دارند. . در حالی که چنین ایالاتی وجود دارد pهلیوم-3 ابر سیال موج، آنها در ابررساناها بی سابقه هستند.

یک ماده بیت کوانتومی برای کامپیوترهای کوانتومی توپولوژیکی

UTe2 اولین بار پنج سال پیش سنتز شد و شواهد فزاینده ای وجود دارد مبنی بر اینکه ممکن است از آن برای ساخت بیت های کوانتومی یا کیوبیت ها در به اصطلاح کامپیوترهای کوانتومی توپولوژیکی استفاده شود. حالت‌های لبه در چنین رایانه‌هایی محافظت می‌شوند و بنابراین در برابر پدیده‌ای به نام decoherence که در آن کیوبیت‌ها ماهیت کوانتومی خود (و اطلاعاتی که در آنها رمزگذاری شده است) را به دلیل تعامل با محیط خود از دست می‌دهند، مقاوم هستند.

«UTe2 وانگ می گوید بنابراین می تواند رایانه های کوانتومی پایدارتر و کاربردی تر را فعال کند دنیای فیزیک. "کار ما گامی مهم در جهت درک این مطالب جذاب و بازگشایی چنین برنامه هایی است."

نتایج این تیم در طبیعت.

تمبر زمان:

بیشتر از دنیای فیزیک