L’Università di Harvard svela un approccio innovativo ai superconduttori ad alta temperatura

Il metodo di produzione può facilitare il rilevamento del materiale.

• Un team di Harvard guidato da Philip Kim crea superconduttori ad alta temperatura utilizzando il rame.
• Sviluppato il primo diodo superconduttore avanzato al mondo Statistiche quantitative.
• Dimostrazione della supercorrente direzionale e del controllo degli stati quantistici al BSCCO.

I superconduttori incuriosiscono i fisici da decenni. Ma questi materiali, che permettono al flusso di elettroni di fluire perfettamente e senza perdite, di solito mostrano questa peculiarità della meccanica quantistica solo a temperature molto basse, qualche grado in più. Zero Assoluto – Per renderlo impraticabile.

Un gruppo di ricerca guidato dal professore di fisica e fisica applicata di Harvard Philip Kim ha dimostrato una nuova strategia per creare e manipolare una classe ampiamente studiata di superconduttori ad alta temperatura, chiamati cuprati, aprendo la strada alla progettazione di nuove e insolite forme di superconduttività in luoghi mai visti prima. prima, non era possibile realizzarlo prima. Materiale.

Utilizzando un metodo unico per fabbricare dispositivi a bassa temperatura, Kim e il suo team hanno scritto il loro rapporto sul diario Scienze Un candidato promettente per il primo diodo superconduttore ad alta temperatura al mondo – essenzialmente un interruttore che fa fluire la corrente in una direzione – è costituito da sottili cristalli di rame. In teoria, un dispositivo del genere potrebbe alimentare industrie emergenti come l’informatica quantistica, che si basa su fenomeni meccanici transitori difficili da mantenere.

Rappresentazione grafica di un superconduttore in rame attorcigliato e impilato, con relativi dati di base. Fotografia: Lucy Yip, Yoshi Saito, Alex Cui, Frank Chow

“I diodi superconduttori ad alta temperatura sono effettivamente possibili, senza l’applicazione di campi magnetici, e aprono nuove porte alla ricerca nello studio di materiali esotici”, ha affermato Kim.

I cuprati sono ossidi di rame che hanno sconvolto il mondo della fisica decenni fa, dimostrando che diventano superconduttori a temperature molto più elevate di quanto i teorici avessero pensato, e “superiore” è un termine relativo (il record attuale per un superconduttore di rame è -225) . F). Ma manipolare questi materiali senza distruggere le loro fasi superconduttrici è molto complesso a causa delle loro complesse proprietà elettroniche e strutturali.

Gli esperimenti del team SY sono stati guidati da Frank Zhao, ex studente della Griffin Graduate School of Arts and Sciences e ora ricercatore post-dottorato presso la Griffin. Istituto di Tecnologia del Massachussetts. Utilizzando un metodo di lavorazione criogenica dei cristalli senz’aria in argon di elevata purezza, Zhao ha progettato un’interfaccia pulita tra due strati estremamente sottili di rame, calcio, bismuto e ossido di stronzio, soprannominata BSCCO (“bisco”). BSCCO è considerato un superconduttore ad “alta temperatura” perché inizia la superconduzione a circa 288 gradi Fahrenheit – molto fredda per gli standard pratici, ma sorprendentemente alta tra i superconduttori, che in genere deve essere raffreddata a circa -400 gradi Fahrenheit.

Zhao ha prima diviso il BSCCO in due strati, ciascuno largo un millesimo di un capello umano. Quindi, a -130 gradi, ha impilato i due strati con un angolo di 45 gradi, come un sandwich di gelato con i trucioli disallineati, pur mantenendo la superconduttività nell’interfaccia fragile.

Il team ha scoperto che la supercorrente massima che può passare senza resistenza attraverso l’interfaccia varia con la direzione della corrente. Fondamentalmente, il team ha anche dimostrato il controllo elettronico dello stato quantico interfacciale invertendo questa polarità. È stato questo controllo che ha permesso loro di realizzare un diodo superconduttore commutabile ad alta temperatura, una dimostrazione della fisica fondamentale che un giorno potrebbe essere incorporata in un pezzo di tecnologia informatica, come un bit quantistico.

“Questo è un punto di partenza per studiare le fasi topologiche, che sono caratterizzate da stati quantistici protetti dai difetti”, ha detto Zhao.

Riferimento: “Simmetria di inversione temporale che rompe la superconduttività tra superconduttori di rame intrecciati” di SY Frank Zhao, Xiaomeng Cui, Pavel A. Volkov, Hyobin Yoo, Sangmin Lee, Jules A. Gardener, Austin J. Akey, Rebecca Engelke, Yuval Ronen, Ruidan Chung , Jinda Guo, Stefan Plug, Taron Tomorrow, Myung Kim, Marcel Franz, Jedediah H. Pixley, Nicola Buccia e Philip Kim, 7 dicembre 2023, Scienze.
doi: 10.1126/science.abl8371

Il team di Harvard ha lavorato con i colleghi Marcel Franz dell’Università della British Columbia e Jed Pixley della Rutgers University, il cui team aveva precedentemente eseguito rigorosi calcoli teorici. E se lo aspettava Comportamento del superconduttore di rame in A Vasta gamma Dagli angoli di torsione. Conciliare le osservazioni sperimentali richiede anche nuovi sviluppi teorici, intrapresi da Pavel A. Volkov dell’Università del Connecticut.

La ricerca è stata sostenuta in parte dalla National Science Foundation, dal Dipartimento della Difesa e dal Dipartimento dell’Energia.