La lucha para mantener las bebidas frías durante el verano es una lección en las transiciones de fase clásicas. Para estudiar las transiciones de fase, aplique calor a una sustancia y observe cómo cambian sus propiedades. Agregue calor al agua y en el llamado "punto crítico,"observe cómo se transforma en gas vapor. Elimine el calor del agua y vea cómo se convierte en un sólido hielo.
Ahora, imagine que ha enfriado todo a temperaturas muy bajas, tan bajas que todos los efectos térmicos desaparecen. Bienvenido al reino cuántico, donde la presión y los campos magnéticos provocan que surjan nuevas fases en un fenómeno llamado transiciones de fase cuántica QPT. Más que una simple transición de una fase a otra, QPT forma propiedades completamente nuevas, como la superconductividad, en ciertos materiales.
Aplique voltaje a un metal superconductor, y los electrones viajan a través del material sin resistencia; la corriente eléctrica fluirá para siempre sin disminuir la velocidad o producir calor. Algunos metales se vuelven superconductores a altas temperaturas, lo que tiene importantes aplicaciones en la transmisión de energía eléctrica y el superconductorbasado en el procesamiento de datos. Los científicos descubrieron el fenómeno hace 30 años, pero el mecanismo de superconductividad sigue siendo un enigma porque la mayoría de los materiales son demasiado complejos para comprender la física del QPT en detalle. Una buena estrategia sería primero mirar sistemas de modelos menos complicados.
Ahora, los físicos y colaboradores de la Universidad de Utah han descubierto que los nanocables superconductores hechos de aleación MoGe experimentan transiciones de fase cuántica de un estado superconductor a un metal normal cuando se colocan en un campo magnético creciente a bajas temperaturas. El estudio es el primero en descubrir elproceso microscópico por el cual el material pierde su superconductividad; el campo magnético separa pares de electrones, llamados pares de Cooper, que interactúan con otros pares de Cooper y experimentan una fuerza de amortiguación de electrones no apareados presentes en el sistema.
Los hallazgos se explican completamente por la teoría crítica propuesta por el coautor Adrian Del Maestro, profesor asociado de la Universidad de Vermont. La teoría describió correctamente cómo la evolución de la superconductividad depende de la temperatura crítica, la magnitud y la orientación del campo magnético, el área de sección transversal del nanocable, y las características microscópicas del material de nanocables. Esta es la primera vez en el campo de la superconductividad que todos los detalles del QPT predichos por una teoría se confirmaron en objetos reales en el laboratorio.
"Las transiciones de fase cuántica pueden sonar realmente exóticas, pero se observan en muchos sistemas, desde el centro de las estrellas hasta el núcleo de los átomos, y desde los imanes hasta los aislantes", dijo Andrey Rogachev, profesor asociado de la U y autor principal de"Al comprender las fluctuaciones cuánticas en este sistema más simple, podemos hablar sobre cada detalle del proceso microscópico y aplicarlo a objetos más complicados".
El estudio publicado en línea el 9 de julio de 2018 en Física de la naturaleza .
teórico cumple experimental
Los físicos de materia condensada estudian lo que sucede con los materiales con todo su calor eliminado de dos maneras: los físicos experimentales desarrollan materiales para probar en un laboratorio, mientras que los físicos teóricos desarrollan ecuaciones matemáticas para comprender el comportamiento físico. Esta investigación cuenta la historia de cómoLa teoría y el experimental se informaron y motivaron mutuamente.
Como becario postdoctoral, Rogachev demostró que la aplicación de campos magnéticos a nanocables a bajas temperaturas distorsiona la superconductividad. Entendió los efectos a temperaturas finitas pero no llegó a ninguna conclusión sobre lo que sucede en el "punto crítico" donde la superconductividad falla. Su trabajo,sin embargo, inspiró al joven físico teórico Adrian Del Maestro, un estudiante graduado en Harvard en ese momento, para desarrollar una teoría crítica completa de la transición de fase cuántica.
En la teoría de "ruptura de pares" de Del Maestro, es poco probable que los electrones individuales choquen con los bordes del cable más pequeño, ya que incluso una sola cadena de átomos es grande en comparación con el tamaño de un electrón. Pero, dijo Del Maestro, "dos electronesque forman los pares responsables de la superconductividad pueden estar muy separados y ahora el tamaño nanoescala del cable hace que sea más difícil para ellos viajar juntos ". Luego agregue un poderoso campo magnético, que desenreda los pares al curvar sus caminos, y" los electronesno pueden conspirar para formar el estado superconductor ", dijo Del Maestro.
"Imagine que los bordes del cable y el campo magnético actúan como una fuerza de fricción que hace que los electrones no quieran emparejarse tanto", dijo Del Maestro. "Esa física debería ser universal". Lo cual es exactamente lo que su teoría yel nuevo espectáculo experimental
"Solo unos pocos ingredientes clave, la dimensión espacial y la existencia de superconductividad, son esenciales al describir las propiedades emergentes de los electrones en las transiciones de fase cuántica", dijo. El sorprendente acuerdo entre los valores de conductividad de la teoría de Del Maestro predijo durante una décadahace un tiempo, y los valores medidos en el nuevo experimento establecen un poderoso estándar para "la confirmación experimental de la universalidad cuántica", dijo Del Maestro, "y subraya la importancia de la investigación física fundamental".
nanocables de última generación
Para probar la teoría de Del Maestro, Rogachev necesitaba nanocables casi unidimensionales, con diámetros menores de 20-30 nanómetros.
"En física teórica, los sistemas unidimensionales juegan un papel muy especial, ya que para ellos se puede desarrollar una teoría exacta", dijo Rogachev. "Sin embargo, los sistemas unidimensionales son notoriamente difíciles de tratar experimentalmente".
Los nanocables MoGe son el elemento crucial de todo el estudio. En sus días posdoctorales, Rogachev solo podía hacer tales cables de 100 nanómetros de largo, demasiado cortos para probar el régimen crítico. Años más tarde en la U, él y su entonces estudiante HyunjeongKim, autor principal del estudio, mejoró un método existente de litografía con haz de electrones para desarrollar una técnica de vanguardia.
Noventa y nueve por ciento de los físicos crean nanoestructuras utilizando un método llamado litografía de haz de electrones positivo haz de electrones. Brillan un haz de electrones en una película sensible a electrones, luego eliminan la parte expuesta de la película para crear las estructuras necesarias.Mucho menos físicos usan la litografía negativa de haz electrónico, en la que dibujan su estructura con el haz electrónico pero eliminan toda la película no expuesta. Este es el método que Kim compró al estado de la técnica, fabricando nanocables delgados conanchos inferiores a 10 nm.
"No es solo que los fabricamos, sino que podemos medirlos", dijo Rogachev. "Muchas personas producen partículas realmente pequeñas, pero para poder ver realmente el transporte en estos cables, fue como desarrollar una nueva técnica."
Para probar las transiciones de fase cuántica, Rogachev llevó los cables a Benjamin Sacépé y Frédéric Gay en el Institut Néel en Grenoble, donde su instalación es capaz de enfriar el material a 50 miliKelvin, aplicando un campo magnético de varias fuerzas y midiendo la resistencia de los cablespara describir cómo se rompe la superconductividad. Los colaboradores franceses agregaron al grupo años de experiencia en medición precisa de transporte, técnicas de rechazo de ruido y física cuántica de superconductores bidimensionales.
"Después de décadas de investigación intensiva, todavía estamos lejos de comprender completamente la superconductividad", dice Tomasz Durakiewicz, director del programa de física de materia condensada en la National Science Foundation, que cofinancia este trabajo ". Estos resultados avanzan significativamente en el campo de cercaconectando el universo físico tangible de los nanocables y las transiciones de fase impulsadas por el campo que ocurren a escala cuántica. Al fusionar la teoría y el experimento, el equipo pudo explicar la compleja relación entre conductividad y geometría, campos magnéticos y temperatura crítica, todo mientras proponíauna teoría de la criticidad cuántica que está en excelente acuerdo con las observaciones experimentales ".
llevándolo a temperaturas más altas
Rogachev ahora se está preparando para probar nanocables hechos de cupratos. Los cupratos tienen una transición de fase cuántica entre un estado magnético y un estado normal. En el punto crítico, hay fluctuaciones cuánticas que, según varias teorías, promueven la aparición de superconductividad.Los cupratos a menudo se llaman superconductores de alta temperatura porque pasan al estado superconductor a la temperatura récord de 90-155 K, un contraste con la temperatura crítica bastante pequeña de las aleaciones de MoGe a 3 - 7 K. Rogachev quiere hacercables de cupratos para comprender el mecanismo microscópico de la superconductividad a alta temperatura.
Otra vía que quiere explorar con sus colaboradores en Grenoble es la transición de fase cuántica en películas superconductoras.
"Ahora que hemos resuelto esta cierta parte de la física, podemos pasar a objetos más complicados donde básicamente no sabemos exactamente qué está pasando", dijo.
La investigación fue apoyada por la National Science Foundation y el ERC Grant QUEST. La fabricación de nanocables se llevó a cabo en las instalaciones de Microfab y USTAR de la Universidad de Utah.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Utah . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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