_ Cercetare: Electronii într-un mod ciudat Lumea metalică

Imaginați-vă un stol de păsări în timp ce se rotesc pe cer: crescând într-o masă, curgând în panglici care se răsucesc și se transformă din nou în forme fantastice. Dacă urmăriți o pasăre din stol, îi puteți descrie acțiunile, modul în care își bate aripile sau își folosește coada pentru a frâna. Cu toate acestea, chiar dacă ați putea să țineți cont de comportamentul fiecărei păsări în parte, formele și modelele zborului lor colectiv ar evita înțelegerea.

Electronii nu se adună ca păsările. . Dar Debanjan Chowdhury, profesor asistent de fizică, se confruntă cu o provocare similară atunci când încearcă să descrie modul în care se comportă electronii în materialele cuantice.

De zeci de ani, oamenii de știință au studiat electronii uitându-se la materiale comune precum siliciul și observând un electron. la un moment dat. „În ciuda complexității electronilor din siliciu, putem descrie în mod eficient proprietățile măsurabile ale materialului concentrându-ne pe fiecare electron individual ca și cum ceilalți nu ar exista”, spune Chowdhury.

Dar în ultima vreme, oamenii de știință au fost entuziasmați. de așa-numitele materiale cuantice, în care trilioane de electroni interacționează și se influențează reciproc – comportament care este evident în supraconductorii de temperatură înaltă. „Aceste noi materiale prezintă proprietăți contraintuitive care nu pot fi descrise prin tratarea acestor electroni pe rând”, spune Chowdhury. „În schimb, trebuie să tratăm electronii din aceste materiale ca pe un fluid colectiv în care electronii sunt puternic încurși unul cu altul. Nici măcar nu avem tipurile potrivite de instrumente tehnice și mașini matematice pentru a le descrie proprietățile în mod fiabil.”< /p>

Pentru Chowdhury, care este un fizician teoretician, materialele cuantice sunt în același timp puzzle-uri și căi către inovație. „Aceste materiale sunt interesante”, spune el. „Ei dețin o mulțime de promisiuni pentru a îmbunătăți înțelegerea noastră de bază a mecanicii cuantice, așa cum se aplică trilioane de electroni care interacționează. De asemenea, ar putea conduce următoarea generație de tehnologii cuantice.”

Pe măsură ce un curent electric trece prin trecere. un conductor normal, cum ar fi cuprul la temperatura camerei, interacțiunile microscopice dintre conductor și electronii care curg creează rezistență. La fel ca frecarea mecanică, această rezistență disipează o parte din energia curentului electric sub formă de căldură.

Dimpotrivă, supraconductorii transportă un curent electric fără cea mai mică pierdere de energie.

Când supraconductivitatea a fost descoperită în 1911, a fost observată doar la temperaturi apropiate de zero absolut (-273,15 ° C), ceea ce a reprezentat o barieră în folosirea fluxului său fără pierderi de energie pentru aplicațiile de zi cu zi. În anii 1980, totuși, oamenii de știință au început să descopere materiale cu un prag de temperatură pentru supraconductivitate care este mult mai mare – până la -100°C. Este extrem de rece, dar este o temperatură care poate fi menținută folosind azot lichid, ceea ce face ca supraconductorii de temperatură înaltă candidați mult mai buni pentru aplicații practice.

Înțelegerea fenomenelor cuantice care guvernează fluxul de electroni în supraconductorii de temperatură înaltă. ar putea avea implicații tehnologice și chiar planetare incredibile, explică Chowdhury. Ca exemplu, el menționează centralele electrice. Aproximativ 65% din energia electrică generată de centralele electrice se pierde în timpul transportului. Prin eliminarea acestor pierderi, supraconductorii de înaltă temperatură ar putea reduce drastic amprenta de carbon a producției de electricitate.

Cu toate acestea, numeroși supraconductori de înaltă temperatură aparțin unei clase mai largi de materiale numite metale ciudate care continuă să sfideze explicația. Sunt ciudate în moduri neobservate până acum – și nu numai în ceea ce privește supraconductibilitatea lor.

Înainte de descoperirea unor metale ciudate, observațiile confirmau în general că disiparea într-un conductor tipic crește pe măsură ce temperatura crește, dar numai până la un punct. Dincolo de acest punct, puteți crește temperatura sistemului fără a degrada conductivitatea materialului. Creșteți temperatura cuprului de la -150°C la -10°C sau chiar 39°C într-o zi fierbinte de vară și aveți totuși un conductor perfect bun.

Când vine vorba de metale ciudate, totuși , nu există nicio limită pentru disiparea lor. În schimb, conductivitatea lor continuă să se degradeze pe măsură ce temperaturile cresc. „Ați crede că... un material care poate supraconduce la temperaturi apropiate sau sub -100°C ar fi un foarte bun conductor electric la temperatura camerei, similar cu cuprul sau argintul”, spune Chowdhury. „În schimb, aceste metale ciudate sunt conductoare groaznice în condiții normale.”

Electronii din orice material se ciocnesc în mod constant. Pe măsură ce temperatura unui sistem scade, electronii încetinesc și timpul dintre ciocniri crește.

Pentru metalele ciudate la temperaturi scăzute, totuși, intervalul dintre coliziuni succesive este neobișnuit de scurt. Și ciudățenia nu se oprește aici, spune Chowdhury. Intervalul este determinat cu precizie de temperatura sistemului și constanta lui Planck, o constantă fundamentală a naturii. Acest comportament este valabil indiferent de alcătuirea chimică a metalului ciudat și indiferent de temperatura de prag la care apar puterile sale supraconductoare.

„Fizicienii se entuziasmează de fiecare dată când vedem apariția universalității, deoarece înseamnă că complexul Detaliile microscopice legate de un anumit material nu afectează caracteristicile comune împărtășite de toți compușii diferiți”, spune Chowdhury. „Putem spera să venim cu o explicație teoretică care să funcționeze pentru toți acești compuși.”

Chowdhury investighează originea acestei scale de timp universale în compuși supraconductori disparați. „Această sincronizare a coliziunilor electronilor ne spune că mecanica cuantică este fundamentală pentru înțelegerea fizicii de bază care controlează modul în care fluidul electronic transportă curent în aceste metale ciudate”, spune el. „Motivul fundamental din spatele acestei scale de timp universale este, probabil, responsabil și pentru determinarea supraconductivității la temperatură înaltă.”

Pentru a explica momentul ciocnirilor de electroni în metale ciudate, Chowdhury încearcă să scrie cea mai simplă dintre teoriile câmpului cuantic care ar descrie proprietățile particulelor care interacționează. „Încerc să construiesc un model matematic minim pentru ceea ce ar putea face electronii”, spune el. „Încerc să găsesc modalități interesante de a rezolva puzzle-ul folosind tehnici și idei inspirate de evoluții din diferite subdomenii ale fizicii, incluzând uneori chiar informații cuantice și găuri negre.”

Într-o zonă distinctă, dar înrudită, grupul Chowdhury colaborează cu fizicieni experimentali pentru a explora fizica materialelor moiré, o nouă clasă de materiale descoperită în 2018 de Pablo Jarillo-Herrero și colaboratorii de la Massachusetts Institute of Technology. Membrii laboratorului lui Jarillo-Herrero au pus două foi de grafen, fiecare formată dintr-un singur strat atomic de atomi de carbon, una peste alta. Echipa de cercetare a răsucit apoi o foaie cu 1,1 grade față de cealaltă. Sistemul rezultat - numit material moiré deoarece cele două foi ușor decalate creează un model moiré - a găzduit fenomene noi și neprevăzute, inclusiv supraconductivitate.

„Există o mulțime de alte materiale bidimensionale în care poți juca același joc”, spune Chowdhury. „Lucrul uimitor despre materialele moiré este că cele două foi nu trebuie să fie făcute din același material. Prin stivuirea și răsucirea unei varietăți de foi diferite, aveți capacitatea de a controla extern energia cinetică a electronilor - cât de repede aceștia. se mișcă eficient în sistem — în opoziție cu cât de puternic interacționează între ele. De exemplu, un punct și un grad de răsucire în grafen este punctul favorabil în care electronii aproape că se opresc din cauza efectelor subtile mecanice cuantice."

În general, supraconductivitatea apare atunci când doi electroni se unesc, formează ceea ce se numește o pereche Cooper și apoi încep să se miște cu o energie cinetică finită.

„Deci, dacă electronii din doi grafen foile cu răsucire de 1,1 grade au aproape deloc energie cinetică, cum se pot mișca perechile de electroni?" întreabă Chowdhury. „Răspunsul constă în proprietățile topologice [proprietăți păstrate prin deformații, răsucire și întindere a obiectelor] care sunt asociate cu funcția de undă mecanică cuantică a electronului, combinată cu interacțiunea puternică electron-electron. Această combinație de proprietăți topologice și electroni puternic încurcați. oferă o cale fundamental nouă către proiectarea supraconductoarelor cu temperatură mai înaltă.”

Când nu se gândește la experimentele existente și în curs, lui Chowdhury îi place să-și imagineze efecte cuantice interesante care sunt teoretic posibile chiar dacă sunt dincolo de atingerea măsurătorilor existente. . „Îmi împing limitele imaginației întrebând: „Dacă nu încălcăm nicio lege fundamentală a naturii și ne concentrăm asupra lumii neexplorate a electronilor încâlciți, ce se mai poate întâmpla? Și cum am detecta așa ceva?’”, spune el.

„Lumea cuantică este fascinantă și înțelegem atât de puțin despre ea, încât sunt determinat să fac progrese conceptuale fundamentale în teoria electroni care interacționează”, continuă el. „Există o listă nesfârșită de fenomene complet noi la care nimeni nu s-a gândit vreodată și care așteaptă să fie descoperite.”

(Fluierul)