Un equipo internacional de investigadores, incluido el Instituto MESA + de Nanotecnología de la Universidad de Twente en los Países Bajos y el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU., Anunció hoy en ciencia la observación de una transición dinámica de Mott en un superconductor.
El descubrimiento conecta experimentalmente los mundos de la mecánica clásica y cuántica e ilumina la naturaleza misteriosa de la transición de Mott. También podría arrojar luz sobre la física del no equilibrio, que es poco conocida pero gobierna la mayor parte de lo que ocurre en nuestro mundo. El hallazgotambién puede representar un paso hacia una electrónica más eficiente basada en la transición de Mott.
Desde que sus cimientos se establecieron a principios del siglo XX, los científicos han estado tratando de conciliar la mecánica cuántica con las reglas de la física clásica o newtoniana como la forma en que describe el camino de una manzana lanzada al aire o caídade un árbol .Los físicos han hecho grandes avances al vincular los dos enfoques, pero los experimentos que conectan los dos todavía son pocos y distantes entre sí; los fenómenos físicos generalmente se clasifican como cuánticos o clásicos, pero no ambos.
Un sistema que une los dos se encuentra en los superconductores, ciertos materiales que conducen la electricidad perfectamente cuando se enfrían a temperaturas muy bajas. Los campos magnéticos penetran en el material superconductor en forma de pequeños filamentos llamados vórtices, que controlan las propiedades electrónicas y magnéticas de losmateriales
Estos vórtices muestran propiedades tanto clásicas como cuánticas, lo que llevó a los investigadores a estudiarlos para acceder a uno de los fenómenos más enigmáticos de la física moderna de la materia condensada: la transición del aislador al metal de Mott.
La transición de Mott ocurre en ciertos materiales que según la mecánica cuántica de los libros de texto deberían ser metales, pero en realidad se convierten en aislantes. Un fenómeno complejo controlado por las interacciones de muchas partículas cuánticas, la transición de Mott sigue siendo misteriosa, incluso si es o noel fenómeno clásico o cuántico no está del todo claro. Además, los científicos nunca han observado directamente una transición dinámica de Mott, en la que se induce una transición de fase de un estado aislante a uno metálico al conducir una corriente eléctrica a través del sistema; el trastorno inherente a los sistemas realesdisfraza las propiedades de Mott.
En la Universidad de Twente, los investigadores construyeron un sistema que contiene 90,000 islas superconductoras de nano-niobio en la parte superior de una película de oro. En esta configuración, los vórtices encuentran energéticamente más fácil instalarse en hoyuelos de energía en un arreglo como una caja de huevos.-y hacer que el material actúe como un aislante Mott, ya que los vórtices no se moverán si la corriente eléctrica aplicada es pequeña.
Sin embargo, cuando aplicaron una corriente eléctrica lo suficientemente grande, los científicos vieron una transición dinámica de Mott cuando el sistema se volcó para convertirse en un metal conductor; las propiedades del material habían cambiado a medida que la corriente lo desequilibraba.
El sistema de vórtices se comportó exactamente como una transición electrónica Mott impulsada por la temperatura, dijo Valerii Vinokur, miembro distinguido de Argonne y autor correspondiente del estudio. Él y la coautora del estudio Tatyana Baturina, luego en Argonne, analizaron los datos y reconocieron elComportamiento Mott.
"Esto materializa experimentalmente la correspondencia entre física cuántica y clásica", dijo Vinokur.
"Podemos inducir de manera controlable una transición de fase entre un estado de vórtices bloqueados a vórtices itinerantes aplicando una corriente eléctrica al sistema", dijo Hans Hilgenkamp, jefe del grupo de investigación de la Universidad de Twente. "Estudiar estas transiciones de fase en nuestro artificiallos sistemas son interesantes por derecho propio, pero también pueden proporcionar más información sobre las transiciones electrónicas en materiales reales ".
El sistema podría proporcionar más información a los científicos sobre dos categorías de física que han sido difíciles de entender: sistemas de muchos cuerpos y sistemas fuera de equilibrio.
"Este es un sistema clásico con el que es fácil experimentar y proporciona lo que parece acceso a sistemas muy complicados de muchos cuerpos", dijo Vinokur. "Se parece un poco a la magia".
Como su nombre lo indica, los problemas de muchos cuerpos involucran una gran cantidad de partículas que interactúan; con la teoría actual son muy difíciles de modelar o comprender.
"Además, este sistema será clave para construir una comprensión general de la física fuera de equilibrio, lo que sería un gran avance en la física", dijo Vinokur.
El Departamento de Energía nombró cinco grandes desafíos científicos de energía básica de nuestro tiempo; uno de ellos es comprender y controlar los fenómenos de desequilibrio. Los sistemas de equilibrio, donde no hay energía moviéndose, ahora se entienden bastante bien. PeroCasi todo en nuestras vidas implica flujo de energía, desde la fotosíntesis hasta la digestión y los ciclones tropicales, y todavía no tenemos la física para describirlo bien. Los científicos creen que una mejor comprensión podría conducir a grandes mejoras en la captura de energía, las baterías y el almacenamiento de energía,electrónica y más.
A medida que buscamos hacer que la electrónica sea más rápida y más pequeña, los sistemas Mott también ofrecen una posible alternativa al transistor de silicio. Dado que pueden alternarse entre la conducción y el aislamiento con pequeños cambios en el voltaje, pueden codificar 1s y 0s a menorescalas y mayor precisión que los transistores de silicio.
'Inicialmente, estábamos estudiando las estructuras por razones completamente diferentes, a saber, para investigar los efectos de las inhomogeneidades en la superconductividad ", dijo Hilgenkamp." Después de discutir con Valerii Vinokur en Argonne, observamos más específicamente nuestros datos y nos sorprendió bastantevemos que reveló tan bien los detalles de la transición entre el estado de los vórtices bloqueados y en movimiento. Hay muchas ideas para estudios de seguimiento, y esperamos nuestra colaboración continua ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Argonne . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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