Universidade de Harvard revela abordagem inovadora para supercondutores de alta temperatura

O método de fabricação pode facilitar a detecção de material.

• A equipe de Harvard liderada por Philip Kim cria supercondutores de alta temperatura usando cobre.
• Desenvolveu o primeiro diodo supercondutor avançado do mundo Estatísticas quantitativas.
• Demonstre supercorrente direcional e controle de estados quânticos na BSCCO.

Os supercondutores intrigam os físicos há décadas. Mas esses materiais, que permitem que o fluxo de elétrons flua perfeitamente e sem perdas, geralmente apresentam essa peculiaridade da mecânica quântica apenas em temperaturas muito baixas – alguns graus mais altas. Zero absoluto – Para tornar isso impraticável.

Uma equipe de pesquisa liderada pelo professor de física e física aplicada de Harvard, Philip Kim, demonstrou uma nova estratégia para fabricar e manipular uma classe amplamente estudada de supercondutores de alta temperatura, chamados cupratos, abrindo caminho para a engenharia de formas novas e incomuns de supercondutividade em lugares nunca antes vistos. antes. Não foi possível alcançá-lo antes. Material.

Usando um método único para fabricar dispositivos de baixa temperatura, Kim e sua equipe escreveram seu relatório na revista Ciências Um candidato promissor para o primeiro diodo supercondutor de alta temperatura do mundo – essencialmente uma chave que faz a corrente fluir em uma direção – é feito de finos cristais de cobre. Em teoria, tal dispositivo poderia alimentar indústrias emergentes como a computação quântica, que depende de fenómenos mecânicos transitórios que são difíceis de manter.

Representação gráfica de um supercondutor de cobre torcido e empilhado, acompanhado de dados de fundo. Fotografia: Lucy Yip, Yoshi Saito, Alex Cui, Frank Chow

“Diodos supercondutores de alta temperatura são realmente possíveis, sem a aplicação de campos magnéticos, e abrem novas portas de pesquisa no estudo de materiais exóticos”, disse Kim.

Cupratos são óxidos de cobre que viraram o mundo da física de cabeça para baixo décadas atrás, mostrando que eles se tornam supercondutores em temperaturas muito mais altas do que os teóricos pensavam, e “mais alto” é um termo relativo (o recorde atual para um supercondutor de cobre é -225). . F). Mas manipular esses materiais sem destruir suas fases supercondutoras é muito complexo devido às suas complexas propriedades eletrônicas e estruturais.

Os experimentos da equipe SY foram liderados por Frank Zhao, um ex-aluno da Griffin Graduate School of Arts and Sciences e agora pesquisador de pós-doutorado na Griffin. Instituto de Tecnologia de Massachusetts. Usando um método de processamento de cristal criogênico sem ar em argônio de alta pureza, Zhao projetou uma interface limpa entre duas camadas extremamente finas de cobre, cálcio, bismuto e óxido de estrôncio, apelidadas de BSCCO (“bisco”). O BSCCO é considerado um supercondutor de “alta temperatura” porque começa a superconduzir a cerca de 288 graus Fahrenheit – muito frio para os padrões práticos, mas surpreendentemente alto entre os supercondutores, que normalmente devem ser resfriados a cerca de -400 graus Fahrenheit.

Zhao primeiro dividiu o BSCCO em duas camadas, cada uma com um milésimo da largura de um fio de cabelo humano. Então, a -130 graus, ele empilhou as duas camadas em um ângulo de 45 graus, como um sanduíche de sorvete com os chips desalinhados, mantendo a supercondutividade na interface frágil.

A equipe descobriu que a supercorrente máxima que pode passar sem resistência pela interface varia com a direção da corrente. Crucialmente, a equipe também demonstrou o controle eletrônico do estado quântico interfacial, invertendo essa polaridade. Foi esse controle que realmente lhes permitiu fabricar um diodo supercondutor comutável de alta temperatura, uma demonstração da física fundamental que um dia poderia ser incorporada a uma peça de tecnologia de computação, como um bit quântico.

“Este é um ponto de partida no estudo das fases topológicas, que são caracterizadas por estados quânticos protegidos de defeitos”, disse Zhao.

Referência: “Simetria de reversão de tempo quebrando supercondutividade entre supercondutores de cobre torcido” por 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 e Philip Kim, 7 de dezembro de 2023, Ciências.
doi: 10.1126/science.abl8371

A equipe de Harvard trabalhou com os colegas Marcel Franz, da Universidade da Colúmbia Britânica, e Jed Pixley, da Universidade Rutgers, cuja equipe já havia realizado cálculos teóricos rigorosos. E ele esperava Comportamento do supercondutor de cobre em A Ampla variedade Dos ângulos de torção. A reconciliação de observações experimentais também requer novos desenvolvimentos teóricos, empreendidos por Pavel A. Volkov, da Universidade de Connecticut.

A pesquisa foi apoiada em parte pela National Science Foundation, pelo Departamento de Defesa e pelo Departamento de Energia.