מוליך-על טופולוגי מכיל מצב גבישי יוצא דופן - עולם הפיזיקה

חוקרים בארה"ב, בריטניה ואירלנד זיהו מצב גבישי חדש מוליך-על באורניום דיטלוריד (UTe₂). קיומו של מצב זה מאתגר את התמונה המקובלת של מוליכות-על ויכולות להיות לו השלכות על התפתחותם של מחשבים קוונטיים.

"פיזיקאים חיפשו חומר כזה כבר יותר מ-60 שנה", אומר ראש הצוות שוקיו וואנג, פיזיקאי חומר דחוס וחוקר פוסט-דוקטורט ב- אוניברסיטת אוקספורד, בריטניה.

מוליכים הם חומרים המוליכים חשמל ללא כל התנגדות. בתיאוריית מוליכות-על של ברדין-קופר-שריפר (BCS), המעבר לזרימת זרם ללא התנגדות מתרחש בטמפרטורות נמוכות, כאשר אלקטרונים מתגברים על הדחייה החשמלית ההדדית שלהם ויוצרים מה שנקרא "זוגות קופר" שיכולים לנוע באין מפריע דרך החומר כמו נוזל-על.

s-, p- ו d-סימטריות גלים

לפונקציות הגל של זוגות קופר אלה יש שלושה סוגים אפשריים של סימטריה: s-, d- או p-גַל. sמוליכים-על כוללים קונבנציונליים (כלומר, המצייתים לתיאוריית BCS) כמו עופרת, פח וכספית. בחומרים אלו, כל זוג קופר מורכב מאלקטרון אחד עם ספין למעלה ואלקטרון אחד עם ספין למטה. כאשר האלקטרונים הללו נעים חזיתית אחד כלפי השני, התנע הזוויתי של הספין נטו שלהם הוא אפס.

dמוליכות-על של גל מתרחשת במוליכי-על לא שגרתיים (שאינם BCS) בטמפרטורה גבוהה כגון תחמוצות נחושת (קופרטים). אלקטרונים בחומרים אלו יוצרים גם זוגות קופר כאשר אלקטרון אחד מסתובב למעלה והשני מסתובב למטה, כך שהתנע הזוויתי הכולל של הספין עבור כל זוג הוא שוב אפסי. עם זאת, התנע הזוויתי המסלולי של הזוגות אינו אפס.

הקטגוריה האחרונה, pמוליכי-על, ייחודיים ומובחנים מאוד בכך שלפונקציות הגל של צמד קופר של חומרים אלה יש זוגיות מוזרה. משמעות הדבר היא ששני האלקטרונים מסתובבים למעלה או מסתובבים למטה, מה שנותן לכל זוג קוונטי בודד של תנע זוויתי ספין.

p-מוליכי גל משכו תשומת לב רבה לאחרונה מכיוון שהם גם מוליכים טופולוגיים, כלומר הם מכילים מצבים חריגים בקצוותיהם. מצבי קצה אלו, הידועים כמצבי Majorana Zero, עשויים להיות בעלי יישומים במחשוב קוונטי. החיפוש אחר מוליכים טופולוגיים בעלי קיימא מבחינה טכנולוגית עם זוגות קופר עם זוגיות מוזרה הוא אם כן נושא חם בחקר החומר הקוונטי.

גביש אלקטרוני המוטבע ברקע נוזל-על

בעבודה החדשה, חוקרים בראשות Wang and סימוס דייוויס באוקספורד, יחד עם צ'יאנג-צ'יאנג גו of אוניברסיטת קורנל וג'וזף פ' קרול ב מכללת קולק, השתמשו בטכניקה שנקראת סריקה מיקרוסקופ מנהור ג'וזףסון כדי להמחיש מודולציות מרחביות של פוטנציאל הזיווג המוליכי ב-UTe₂, מוליך-על טופולוגי שהתגלה לאחרונה. טכניקה זו מספקת רזולוציית אנרגיה בקנה מידה של מיקרו-אלקטרון וולט, המאפשרת להמחיש את פער האנרגיה של זיווג האלקטרונים ברמה האטומית.

תצפיות הצוות גילו שחלק מזוגות האלקטרונים ב-UTe₂ יוצרים מבנה גבישי בתוך נוזל העל הרקע. מבנים כאלה ידועים כגלי צפיפות זוג אלקטרונים (PDW), והצוות צפה בהם בעבר ב s-גלים מוליכים וגם d-גלים מוליכים. התוצאות האחרונות מוכיחות אפוא שמצב PDW משותף לכל סוגי הסימטריות של צמד קופר.

מוליך-על לא שגרתי הוא אפילו יותר מהצפוי

"מה שמרגש עבורנו ועבור קהילת מוליכי העל בכללותה הוא שה-PDW שגילינו מופיע בכמות גדולה p-מוליך-על," אומר וואנג. היא מוסיפה כי נראה שלזוגות האלקטרונים יש תנע זוויתי מהותי: "אם זה נכון, אז מה שזיהינו הוא ה-PDW הראשון המורכב מזוגות ספין-טריפלט אקזוטיים של אלקטרונים שבהם הספינים של שני האלקטרונים מצביעים לאותו כיוון . אמנם מדינות כאלה קיימות ב p-גל ​​הליום-3 נוזל-על, הם חסרי תקדים במוליכי-על."

חומר סיביות קוונטי למחשבים קוונטיים טופולוגיים

UTe₂ סונתז לראשונה לפני חמש שנים וישנן עדויות הולכות וגדלות לכך שהוא עשוי לשמש לייצור סיביות קוונטיות, או קיוביטים, במה שנקרא מחשבים קוונטיים טופולוגיים. מצבי הקצה במחשבים כאלה יהיו מוגנים, ולכן עמידים בפני תופעה הנקראת דקוהרנטיות שבה קיוביטים מאבדים את הטבע הקוונטי שלהם (ואת המידע שמקודד בהם) עקב אינטראקציות עם הסביבה שלהם.

"UTe₂ כך יכול לאפשר מחשבים קוונטיים יציבים ומעשיים יותר", אומר וואנג עולם הפיזיקה. "העבודה שלנו היא צעד מכריע לקראת הבנת החומר המסקרן הזה ופתיחת יישומים כאלה."

תוצאות הצוות מתפרסמות ב טבע.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. רכב / רכבים חשמליים, פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• BlockOffsets. מודרניזציה של בעלות על קיזוז סביבתי. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/topological-superconductor-harbours-unusual-crystalline-state/