La Universidad de Harvard presenta un enfoque innovador para los superconductores de alta temperatura

El método de fabricación puede facilitar la detección de materiales.

• El equipo de Harvard dirigido por Philip Kim crea superconductores de alta temperatura utilizando cobre.
• Desarrolló el primer diodo superconductor avanzado del mundo. Estadísticas cuantitativas.
• Demostrar supercorriente direccional y control de estados cuánticos en BSCCO.

Los superconductores han intrigado a los físicos durante décadas. Pero estos materiales, que permiten que el flujo de electrones fluya perfectamente y sin pérdidas, normalmente presentan esta peculiaridad de la mecánica cuántica sólo a temperaturas muy bajas, unos pocos grados más. Cero absoluto – Para hacerlo poco práctico.

Un equipo de investigación dirigido por el profesor de física y física aplicada de Harvard, Philip Kim, ha demostrado una nueva estrategia para fabricar y manipular una clase ampliamente estudiada de superconductores de alta temperatura, llamados cupratos, allanando el camino para diseñar formas nuevas e inusuales de superconductividad en lugares nunca antes vistos. Antes no era posible lograrlo. Material.

Utilizando un método único para fabricar dispositivos de baja temperatura, Kim y su equipo escribieron su informe en la revista. Ciencias Un candidato prometedor para el primer diodo superconductor de alta temperatura del mundo (esencialmente un interruptor que hace que la corriente fluya en una dirección) está hecho de finos cristales de cobre. En teoría, un dispositivo de este tipo podría impulsar industrias emergentes como la computación cuántica, que se basa en fenómenos mecánicos transitorios que son difíciles de mantener.

Representación gráfica de un superconductor de cobre retorcido y apilado, con datos básicos adjuntos. Fotografía: Lucy Yip, Yoshi Saito, Alex Cui, Frank Chow

«Los diodos superconductores de alta temperatura son realmente posibles sin la aplicación de campos magnéticos y abren nuevas puertas a la investigación en el estudio de materiales exóticos», afirmó Kim.

Los cupratos son óxidos de cobre que revolucionaron el mundo de la física hace décadas al demostrar que se vuelven superconductores a temperaturas mucho más altas de lo que los teóricos habían pensado, y “más alta” es un término relativo (el récord actual para un superconductor de cobre es -225). . F). Pero manipular estos materiales sin destruir sus fases superconductoras es muy complejo debido a sus complejas propiedades electrónicas y estructurales.

Los experimentos del equipo de SY fueron dirigidos por Frank Zhao, un ex alumno de la Escuela de Graduados en Artes y Ciencias de Griffin y ahora investigador postdoctoral en Griffin. Instituto de Tecnología de Massachusetts. Utilizando un método de procesamiento de cristales criogénicos sin aire en argón de alta pureza, Zhao diseñó una interfaz limpia entre dos capas extremadamente delgadas de cobre, calcio, bismuto y óxido de estroncio, apodada BSCCO (“bisco”). BSCCO se considera un superconductor de “alta temperatura” porque comienza a ser superconductor a unos 288 grados Fahrenheit (muy frío según los estándares prácticos, pero sorprendentemente alto entre los superconductores, que normalmente deben enfriarse a unos -400 grados Fahrenheit).

Zhao primero dividió el BSCCO en dos capas, cada una de una milésima del ancho de un cabello humano. Luego, a -130 grados, apiló las dos capas en un ángulo de 45 grados, como un sándwich de helado con las virutas desalineadas, conservando al mismo tiempo la superconductividad en la interfaz frágil.

El equipo descubrió que la supercorriente máxima que puede pasar sin resistencia a través de la interfaz varía con la dirección de la corriente. Fundamentalmente, el equipo también demostró el control electrónico del estado cuántico interfacial invirtiendo esta polaridad. Fue este control lo que realmente les permitió fabricar un diodo superconductor conmutable de alta temperatura, una demostración de física fundamental que algún día podría incorporarse a una pieza de tecnología informática, como un bit cuántico.

«Este es un punto de partida en el estudio de las fases topológicas, que se caracterizan por estados cuánticos protegidos de defectos», dijo Zhao.

Referencia: “Simetría de inversión de tiempo que rompe la superconductividad entre superconductores de cobre trenzado” 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 y Philip Kim, 7 de diciembre de 2023, Ciencias.
doi: 10.1126/ciencia.abl8371

El equipo de Harvard trabajó con sus colegas Marcel Franz de la Universidad de Columbia Británica y Jed Pixley de la Universidad de Rutgers, cuyo equipo había realizado previamente cálculos teóricos rigurosos. Y el esperaba Comportamiento del superconductor de cobre en A Amplia gama Desde ángulos de torsión. Conciliar las observaciones experimentales también requiere nuevos desarrollos teóricos, emprendidos por Pavel A. Volkov de la Universidad de Connecticut.

La investigación fue apoyada en parte por la Fundación Nacional de Ciencias, el Departamento de Defensa y el Departamento de Energía.