Misteriozna „iznenadna smrt“ kvantnih vrtloga u superprovodniku

Printskrin: Youtube/@StarTalk

Fizičari su videli misterioznu „iznenadnu smrt“ kvantnih fluktuacija u neobičnom superprovodnom materijalu, piše Live Science.

To otkriće, u atomski tankom sloju polumetalnog jedinjenja volfram-ditelurid, zahteva sasvim novu teoriju radi objašnjenja.

Preporučujemo

Opisivanje zašto se to događa moglo bi dati nove uvide u pogledu superprovodnika, materijala u kojima struja teče bez otpora. Superprovodnici na sobnoj temperaturi se smatraju „svetim gralom“ fizike koji bi mogao omogućiti prenos energije skoro bez gubitaka.

„Ono što smo otkrili, direktno posmatrajući kvantne fluktuacije u blizini tranzicije, bili su jasni dokazi nove kvantne fazne tranzicije koja se protivi standardnim teorijskim opisima“, kaže Sanfeng Vu, docent za fiziku na Prinstonskom univerzitetu.

Fazne tranzicije se dešavaju kad se atomski sklopovi materijala menjaju – kao kad se čvrsti materijal topi u tečnost ili kad tečnost isparava u gas. Međutim, one se mogu dešavati i na kvantnom nivou, uzrokujući udruživanje elektrona u takozvane Kuperove parove i njihov protok poput nekog superfluida bez ikakvog otpora.

Superprovodnička tranzicija se obično dešava samo na temperaturama blizu apsolutne nule, ali naučnici decenijama pokušavaju da reprodukuju taj proces na sobnoj temperaturi.

Radi boljeg razumevanja kad i kako superprovodnost nastupa, istraživači su u novoj studiji istanjili kristal volfram-ditelurida u jednoatomski sloj pre nego što su ga ohladili do 50 miliKelvina (minus 273,10 stepeni Celzijusovih).

To je proizvelo jak izolator; njegovi elektroni su bili previše stisnuti da bi provodili struju. Međutim, uz ekstra elektrone i napon proizvedeni je izvanredan rezultat – materijal se transformisao u superprovodnik. Samo mala količina napona može da izmeni materijal iz izolatora u superprovodnik, kažu naučnici.

Materijali menjaju faze putem akumulacije sićušnih fluktuacija u svojim termodinamičkim stanjima. U 2D superprovodnicima te fluktuacije se dešavaju zahvaljujući kvantnih vrtlozima, malenim kovitlacima magnetnih polja koji se iznad određene temperature i voltaže šire kroz materijal i uništavaju njegovu sposobnost superprovodnosti.

Ta tranzicija se dešava na granici zvanoj kritična elektronska gustina – tački na kojoj superprovodni elektroni u Kuperovim parovima imaju dovoljno kinetičke energije da se odvoje od svojih partnera.

Raniji eksperimenti su sugerisali da vrtlozi nestaju naglo pri visokim temperaturama i magnetnim poljima (ili kad izbace materijal iz superprovodne faze u fazu otpornosti).

Međutim, eksperiment je pokazao suprotno, pri većim temperaturama i jačim magnetnim poljima vrtlozi su trajali dugo u izolatorsku fazu materijala.

Kad je materijal ohlađen skoro do apsolutne nule, umesto da i dalje slabo opstaju tek ispod kvantne kritične tačke, kvantni vrtlozi su naglo nestali.

„Očekivali smo da jake fluktuacije traju ispod kritične elektronske gustine na nesuperprovodnoj strani, ali smo videli da vrtložni signali naglo nestaju čim je pređena kritična elektronska gustina“, rekao je Vu.

„Drugačije rečeno, otkrili smo novu vrstu kvantne kritične tačke, ali je ne razumemo“, kažu naučnici. Da bi opisali ovo šokantno otkriće potrebna im je potpuno nova teorija.

(Telegraf Nauka/Live Science)