Kampen för att hålla drycken kall under sommaren är en lektion i klassiska fasövergångar. För att studera fasövergångar, applicera värme på ett ämne och se hur dess egenskaper förändras. Tillsätt värme till vattnet och vid den så kallade "kritiska punkten, "se när den förvandlas till en gas (ånga). Ta bort värmen från vattnet och se hur den förvandlas till en fast (is).

Nu, tänk dig att du har svalnat allt till mycket låga temperaturer - så lågt att alla termiska effekter försvinner. Välkommen till kvantvärlden, där tryck och magnetfält får nya faser att uppstå i ett fenomen som kallas kvantfasövergångar (QPT). Mer än en enkel övergång från en fas till en annan, QPT bildar helt nya fastigheter, såsom supraledning, i vissa material.

Lägg spänning på en supraledande metall, och elektronerna färdas genom materialet utan motstånd; elektrisk ström kommer att flöda för alltid utan att sakta ner eller producera värme. Vissa metaller blir supraledande vid höga temperaturer, som har viktiga tillämpningar inom elektrisk kraftöverföring och superledarbaserad databehandling. Forskare upptäckte fenomenet för 30 år sedan, men mekanismen för supraledning är fortfarande en gåta eftersom majoriteten av materialen är för komplexa för att förstå QPT -fysik i detaljer. En bra strategi är först att titta på mindre komplicerade modellsystem.

Nu, Fysiker och samarbetspartners vid University of Utah har upptäckt att supraledande nanotrådar av MoGe -legering genomgår kvantfasövergångar från en superledande till ett normalt metalltillstånd när de placeras i ett ökande magnetfält vid låga temperaturer. Studien är den första som avslöjar den mikroskopiska processen genom vilken materialet förlorar sin supraledning; magnetfältet bryter isär par elektroner, kallade Cooper -par, som interagerar med andra Cooper -par och upplever en dämpningskraft från oparade elektroner som finns i systemet.

Resultaten förklaras fullt ut av den kritiska teori som föreslagits av medförfattaren Adrian Del Maestro, docent vid University of Vermont. Teorin beskrev korrekt hur utvecklingen av supraledning beror på kritisk temperatur, magnetfältets storlek och orientering, nanotråds tvärsnittsarea, och de mikroskopiska egenskaperna hos nanotrådsmaterialet. Detta är första gången inom supraledningsområdet som alla detaljer om QPT som förutspåtts av en teori bekräftades på verkliga objekt i labbet.

"Kvantfasövergångar kan låta riktigt exotiska, men de observeras i många system, från mitten av stjärnorna till atomkärnan, och från magneter till isolatorer, "sa Andrey Rogachev, docent vid U och seniorförfattare till studien. "Genom att förstå kvantfluktuationer i detta enklare system, vi kan prata om varje detalj i den mikroskopiska processen och tillämpa den på mer komplicerade objekt. "

Studien publicerades online den 9 juli, 2018 i Naturfysik .

Teoretiskt möter experimentellt

Fysiker i kondenserad materia studerar vad som händer med material med all värme borttagen på två sätt - experimentella fysiker utvecklar material för att testa i ett labb, medan teoretiska fysiker utvecklar matematiska ekvationer för att förstå det fysiska beteendet. Denna forskning berättar historien om hur teorin och experimentella informerade och motiverade varandra.

Som postdoktor, Rogachev visade att applicering av magnetfält på nanotrådar under låga temperaturer snedvrider supraledning. Han förstod effekterna vid ändliga temperaturer men kom inte till någon slutsats om vad som händer vid den "kritiska punkten" där supraledning vacklar. Hans arbete, dock, inspirerade den unge teoretiska fysikern Adrian Del Maestro, en doktorand vid Harvard vid den tiden, att utveckla en fullständig kritisk teori om kvantfasövergången.

I Del Maestros teori om "parbrytning" Det är osannolikt att enstaka elektroner stöter på kanterna på den minsta tråden eftersom även en enda atomsträng är stor jämfört med storleken på en elektron. Men, sa Del Maestro, "två elektroner som bildar paren som är ansvariga för supraledning kan vara långt ifrån varandra och nu gör trådens nanoskala det svårare för dem att resa tillsammans." Lägg sedan till ett kraftfullt magnetfält, som lossnar par genom att böja sina vägar, och "elektronerna kan inte konspirera för att bilda det supraledande tillståndet, sa Del Maestro.

"Tänk dig att trådens kanter och magnetfältet fungerar som en friktionskraft som gör att elektroner inte vill para ihop så mycket, "sa Del Maestro." Den fysiken borde vara universell. "Vilket är exakt vad hans teori och det nya experimentet visar.

"Endast några få viktiga ingredienser - rumslig dimension och existens av supraledning - är väsentliga när man beskriver elektronernas framväxande egenskaper vid kvantfasövergångar, " sa han. Den fantastiska överensstämmelsen mellan konduktivitetsvärdena som Del Maestros teori förutspådde för över ett decennium sedan och värdena som mättes i det nya experimentet sätter en kraftfull standard för "den experimentella bekräftelsen av kvantuniversalitet, "Del Maestro sa, "och understryker vikten av grundläggande fysikforskning."

Toppmoderna nanotrådar

För att testa Del Maestros teori, Rogachev behövde nästan endimensionella nanotrådar, med diametrar mindre än 20-30 nanometer.

"I teoretisk fysik, endimensionella system spelar en mycket speciell roll, eftersom en exakt teori kan utvecklas för dem", sade Rogachev. "Ändå är endimensionella system notoriskt svåra att hantera experimentellt."

MoGe nanotrådarna är det avgörande elementet i hela studien. Under hans postdoktorala dagar, Rogachev kunde bara göra sådana ledningar 100 nanometer långa, för kort för att testa den kritiska regimen. År senare vid U, han och hans dåvarande elev Hyunjeong Kim, huvudförfattare till studien, förbättrat på en befintlig metod för elektronstrålelitografi för att utveckla en toppmodern teknik.

Nittionio procent av fysikerna skapar nanostrukturer med en metod som kallas positiv elektronstråle (e-beam) litografi. De lyser en elektronstråle på en elektronkänslig film, ta sedan bort den exponerade delen av filmen för att skapa nödvändiga strukturer. Mycket färre fysiker använder negativ e-beam litografi, där de ritar sin struktur med e-strålen men tar bort all oexponerad film. Detta är metoden som Kim köpte till den senaste tekniken, tillverkning av tunna nanotrådar med bredder under 10 nm.

"Det är inte bara det vi gör dem, men vi kan mäta dem, "sa Rogachev." Många människor gör riktigt små partiklar, men för att verkligen kunna titta på transport på dessa trådar, det var som att utveckla en ny teknik. "

För att testa kvantfasövergångarna, Rogachev tog ledningarna till Benjamin Sacépé och Frédéric Gay vid Institut Néel i Grenoble där deras anläggning kan kyla materialet till 50 milliKelvin, applicera magnetfält med olika styrkor och mäta trådarnas motstånd för att beskriva hur superledningen bryts ner. De franska kollaboratörerna lade till gruppen år av expertis inom exakt transportmätning, brusavstötningsteknik och kvantfysik för tvådimensionella supraledare.

"Efter decennier av intensiv forskning, vi är fortfarande långt ifrån att helt förstå supraledning, säger Tomasz Durakiewicz, programdirektör för fysik för kondenserad materia vid National Science Foundation, som medfinansierar detta arbete. "Dessa resultat främjar området avsevärt genom att nära koppla det materiella, fysiska universum av nanotrådar och de fältdrivna fasövergångarna som sker i kvantskalan. Genom att slå samman teori och experiment, laget kunde förklara det komplexa förhållandet mellan konduktivitet och geometri, magnetfält och kritisk temperatur, allt medan du föreslår en teori om kvantkritikalitet som överensstämmer utmärkt med experimentella observationer. "

Ta det till högre temperaturer

Rogachev förbereder sig nu för att testa nanotrådar av koppar. Cuprates har en kvantfasövergång mellan ett magnetiskt tillstånd och ett normaltillstånd, Vid den kritiska punkten, det finns kvantfluktuationer som, enligt flera teorier, främja uppkomsten av supraledning. Cupraterna kallas ofta högtemperatur superledare eftersom de går till supraledande tillstånd vid den rekordhöga temperaturen 90-155 K, en kontrast till den ganska små kritiska temperaturen hos MoGe-legeringar vid 3-7 K. Rogachev vill göra kablar av koppar för att förstå den mikroskopiska mekanismen för högtemperatur supraledning.

En annan väg som han vill utforska med sina medarbetare i Grenoble är kvantfasövergången i supraledande filmer.

"Nu har vi den här fysiken utarbetad, vi kan flytta till mer komplicerade objekt där vi i princip inte vet exakt vad som händer, " han sa.