Die Harvard University stellt innovativen Ansatz für Hochtemperatur-Supraleiter vor

Die Herstellungsmethode kann die Materialerkennung erleichtern.

• Das von Philip Kim geleitete Harvard-Team stellt Hochtemperatur-Supraleiter aus Kupfer her.
• Entwickelte die weltweit erste fortschrittliche supraleitende Diode Quantitative Statistik.
• Demonstrieren Sie gerichteten Superstrom und die Kontrolle von Quantenzuständen am BSCCO.

Supraleiter faszinieren Physiker seit Jahrzehnten. Doch diese Materialien, die den Elektronenfluss perfekt und verlustfrei fließen lassen, zeigen diese Besonderheit der Quantenmechanik meist nur bei sehr niedrigen Temperaturen – ein paar Grad höher Absoluter Nullpunkt – Um es unpraktisch zu machen.

Ein Forschungsteam unter der Leitung des Harvard-Professors für Physik und angewandte Physik Philip Kim hat eine neue Strategie zur Herstellung und Manipulation einer vielfach untersuchten Klasse von Hochtemperatur-Supraleitern, den sogenannten Cupraten, demonstriert und damit den Weg für die Entwicklung neuer und ungewöhnlicher Formen der Supraleitung an Orten geebnet, die noch nie zuvor stattgefunden haben vorher. Es war vorher nicht möglich, dies zu erreichen. Material.

Kim und sein Team verwendeten eine einzigartige Methode zur Herstellung von Niedertemperaturgeräten und schrieben ihren Bericht in der Zeitschrift Wissenschaften Ein vielversprechender Kandidat für die weltweit erste Hochtemperatur-Supraleiterdiode – im Wesentlichen ein Schalter, der den Strom in eine Richtung fließen lässt – besteht aus dünnen Kupferkristallen. Ein solches Gerät könnte theoretisch aufstrebende Industrien wie das Quantencomputing antreiben, das auf vorübergehenden mechanischen Phänomenen beruht, die schwer aufrechtzuerhalten sind.

Grafische Darstellung eines verdrillten und gestapelten Kupfersupraleiters mit begleitenden Hintergrunddaten. Fotografie: Lucy Yip, Yoshi Saito, Alex Cui, Frank Chow

„Hochtemperatur-supraleitende Dioden sind tatsächlich ohne die Anwendung von Magnetfeldern möglich und eröffnen neue Forschungsmöglichkeiten bei der Untersuchung exotischer Materialien“, sagte Kim.

Cuprate sind Kupferoxide, die vor Jahrzehnten die Welt der Physik auf den Kopf stellten, indem sie zeigten, dass sie bei Temperaturen supraleitend werden, die viel höher sind, als Theoretiker angenommen hatten, und „höher“ ist ein relativer Begriff (der aktuelle Rekord für einen Kupfersupraleiter liegt bei -225). . F). Aufgrund ihrer komplexen elektronischen und strukturellen Eigenschaften ist es jedoch sehr komplex, diese Materialien zu manipulieren, ohne ihre supraleitenden Phasen zu zerstören.

Die Experimente des SY-Teams wurden von Frank Zhao geleitet, einem ehemaligen Studenten der Griffin Graduate School of Arts and Sciences und jetzt Postdoktorand bei Griffin. Massachusetts Institute of Technology. Mithilfe einer luftlosen kryogenen Kristallverarbeitungsmethode in hochreinem Argon entwarf Zhao eine saubere Grenzfläche zwischen zwei extrem dünnen Schichten aus Kupfer, Kalzium, Wismut und Strontiumoxid, die den Spitznamen BSCCO („Bisco“) tragen. BSCCO gilt als „Hochtemperatur“-Supraleiter, da es bei etwa 288 Grad Fahrenheit zu supraleiten beginnt – nach praktischen Maßstäben sehr kalt, aber überraschend hoch unter Supraleitern, die normalerweise auf etwa -400 Grad Fahrenheit abgekühlt werden müssen.

Zhao teilte das BSCCO zunächst in zwei Schichten auf, von denen jede ein Tausendstel so breit war wie ein menschliches Haar. Dann stapelte er bei -130 Grad die beiden Schichten in einem 45-Grad-Winkel wie ein Eiscreme-Sandwich mit falsch ausgerichteten Chips, wobei er die Supraleitung an der spröden Grenzfläche beibehielt.

Das Team entdeckte, dass der maximale Suprastrom, der ohne Widerstand über die Grenzfläche fließen kann, mit der Richtung des Stroms variiert. Entscheidend ist, dass das Team auch die elektronische Kontrolle des Grenzflächenquantenzustands durch Umkehr dieser Polarität demonstrierte. Es war diese Kontrolle, die es ihnen tatsächlich ermöglichte, eine bei hoher Temperatur schaltbare supraleitende Diode herzustellen, eine Demonstration grundlegender Physik, die eines Tages in ein Stück Computertechnologie wie ein Quantenbit integriert werden könnte.

„Dies ist ein Ausgangspunkt für die Untersuchung topologischer Phasen, die durch vor Defekten geschützte Quantenzustände gekennzeichnet sind“, sagte Zhao.

Referenz: „Time Reversal Symmetry Breaking Supraconductivity Between Twisted Copper Supraconductors“ von 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 und Philip Kim, 7. Dezember 2023, Wissenschaften.
doi: 10.1126/science.abl8371

Das Harvard-Team arbeitete mit den Kollegen Marcel Franz von der University of British Columbia und Jed Pixley von der Rutgers University zusammen, deren Team zuvor strenge theoretische Berechnungen durchgeführt hatte. Und er erwartete Verhalten des Kupfersupraleiters in A Große Auswahl Aus Torsionswinkeln. Um experimentelle Beobachtungen in Einklang zu bringen, sind auch neue theoretische Entwicklungen erforderlich, die Pavel A. vorgenommen hat. Volkov von der University of Connecticut.

Die Forschung wurde teilweise von der National Science Foundation, dem Verteidigungsministerium und dem Energieministerium unterstützt.