„Iznenadna smrt“ kvantnih fluktuacija prkosi trenutnim teorijama o superprovodnosti

Printskrin: Youtube/@StarTalk

Ovo istraživanje bi moglo unaprediti naše razumevanje kvantne fizike čvrstih materijala generalno i kvantne fizike kondenzovane materije i superprovodnosti.

Istraživači su otkrili da iznanadni prekid (ili „smrt“) kvantnih mehaničkih fluktuacija dovodi do niza specifičnih kvantnih ponašanja i osobina koje su izgleda van opsega prihvaćenih teorija, piše Phys.org.

Preporučujemo

Fluktuacije su privremeno nasumične promene u termodinamičkom stanju materijala koji je na ivici fazne transformacije. Poznati primer fazne transformacije jeste topljenje leda u vodu. Prinstonski eksperiment je ispitivao fluktuacije koje se dešavaju u superprovodniku na temperaturama blizu apsolutne nule.

„Direktnim posmatranjem kvantnih fluktuacija blizu tranzicije otkrili smo jasne dokaze nove kvantne fazne transformacije koja se suprotstavlja standardnim teorijskim opisima“, kaže Sanfeng Vu, docent za fiziku na Prinstonskom univerzitetu.

Kvantne faze i superprovodnost

U fizičkom svetu, fazne transformacije se dešavaju kad neki materijal u tečnom, gasnom ili čvrstom stanju prelazi iz jednog stanja u drugo.

Međutim, fazne transformacije se dešavaju i na kvantnom nivou. One se dešavaju na temperaturama blizu apsolutne nule (-273,15 stepeni Celzijusovih) i uključuju neprekidno regulisanje nekog spoljašnjeg parametra, kao što je pritisak ili magnetno polje, bez povećavanja temperature.

Istraživače naročito interesuje kako se kvantna fazna transformacija odvija u superprovodnicima, materijalima koji provode struju bez otpora.

Superprovodnici mogu da ubrzaju proces informacija i formiraju bazu moćnih magneta za upotrebu u zdravstvu i transportu.

Superprovodnost se dešava kad se elektroni upare i teku zajedno bez otpora i rasipanja energije. Elektroni obično putuju kroz strujna kola i žice na haotičan način, sudarajući se i rasipajući energiju. Međutim, u superprovodnom stanju, elektroni rade usaglašeno na energetski efikasan način.

Superprovodnost je poznata od 1911, iako je uveliko bilo nejasno kako i zašto se dešava do 1956, kad je kvantna mehanika počela da rasvetljava taj fenomen. Međutim, tek je u proteklih 10-ak godina superprovodnost izučavana u čistim, atomski tankim dvodimenzionalnim materijalima.

Zaista, dugo se smatralo da je superprovodnost nemoguća u dvodimenzionalnom svetu. To je bilo zbog toga što, dok idete ka nižim dimenzijama, fluktuacije postaju toliko jake da „ubiju“ svaku mogućnost superprovodnosti.

Glavni način na koji fluktuacije uništavaju dvodimenzionalnu superprovodnost jeste spontano nastajanje takozvanog kvantnog vrtloga.

Svaki vrtlog liči na maleni vir sastavljen od mikroskopske niti magnetnog polja zarobljene u kovitlacu elektronske struje. Kad se uzorak nađe iznad određene temperature, vrtlozi se spontano pojavljuju u parovima – vrtlozi i antivrtlozi. Njihovo brzo kretanje uništava stanje superprovodnosti.

Fizičari sad znaju da superprovodnost u ultratankim filmovima postoji ispod izvesne kritične temperature poznate kao BKT tranzicija, nazvane po fizičarima kondenzovane materije Vadimu Berezinskom, Džonu Kosterlicu i Dejvidu Taulesu. Poslednja dvojica su dobitnici Nobelove nagrade za fiziku 2016. godine, sa prinstonskim profesorom fizike F. Dankanom Holdejnom.

BKT teorija se uveliko smatra uspešnim opisom proliferacije kvantnih vrtloga u dvodimenzionalnim superprovodnicima i uništavanja superprovodnosti. Ta teorija je primenljiva kad je superprovodna tranzicija izazvana zagrevanjem uzorka.

Sadašnji eksperiment

Pitanje kako dvodimenzionalna superprovodnost može biti uništena bez povećanja temperature je aktivna oblast istraživanja na poljima superprovodnosti i faznih transformacija.

Na temperaturama blizu apsolutne nule, kvantna tranzicija je izazvana kvantnim fluktuacijama. U ovom scenariju, tranzicija je različita od temperaturom izazvane BKT tranzicije.

Istraživači su počeli sa pretvaranjem volfram-ditelurida u dvodimenzionalni atomski tanak sloj. Tako tanak, taj materijal se ponaša kao veoma jak izolator, što znači da njegovi elektroni imaju ograničeno kretanje i stoga ne mogu da provode struju.

Začudo, istraživači su otkrili da materijal ispoljava mnoštvo novih kvantnih ponašanja, poput prebacivanja između izolatorske i superprovodne faze. Uspeli su da kontrolišu to prebacivanje napravivši uređaj koji funkcioniše kao prekidač za uključivanje i isključivanje.

Zatim su ohladili volfram-ditelurid na izuzetno nisku temperaturu, oko 50 mK, tj. -273,10 Celzijusa, na kojoj su kvantni mehanički efekti dominantni.

Onda su pretvorili materijal iz izolatora u superprovodnik uvodeći ekstra elektrone. Nije bilo potrebno mnogo napona da se postigne superprovodno stanje.

Istraživači su otkrili da mogu precizno kontrolisati osobine superprovodnosti podešavajući gustinu elektrona u materijalu. Pri kritičnoj gustini elektrona, kvantni vrtlozi se brzo rasprostranjuju i uništavaju superprovodnost, izazivajući kvantnu faznu transformaciju.

Radi detekcije kvantnih vrtloga, istraživači su napravili temperaturni prelaz, načinivši jednu stranu volfram-ditelurida malo toplijom od druge. Vrtlozi idu ka hladnijem delu, tako da je stvorena reka vrtloga koja teče od toplijeg ka hladnijem. Taj tok proizvodi naponski signal koji se može detektovati nanovoltmetrom.

Iznenađujući kvantni fenomeni

Foto: Science Photo Library / imago stock&people / Profimedia

Pošto su mogli da izmere te kvantne fluktuacije, istraživači su otkrili niz neočekivanih fenomena. Prvo iznenađenje je bila izuzetna postojanost vrtloga. Eksperiment je pokazao da vrtlozi opstaju do mnogo viših temperatura i magnetnih polja nego što se očekivalo. Opstaju na temperaturama i poljima znatno iznad superprovodne faze, u fazi otpornosti materijala.

Drugo veliko iznenađenje bilo je da je signal vrtloga naglo nestao kad je gustina elektrona podešena malo ispod kritične vrednosti na kojoj dolazi do kvantne fazne transformacije superprovodnog stanja. Na tom kritičnom nivou gustine elektrona, kvantnoj kritičnoj tački (QCP) koja predstavlja tačku na nultoj temperaturi u faznom dijagramu, kvantne fluktuacije pokreću faznu transformaciju.

Drugačije rečeno, istraživači su otkrili novi tip kvantne kritične tačke. Na polju fizike kondenzovane materije trenutno postoje dve prihvaćene teorije koje objašnjavaju fazne transformacije superprovodnika, Ginzburg-Landau teorija i BTK teorija. Međutim, nijedna od njih ne objašnjava osmotreni fenomen.

(Telegraf Nauka/Phys.org)