令人敬畏的科学家观看2D电子水坑在3D超导材料中出现

2D层出现在3D超导体内

SLAC和斯坦福大学的科学家观察到,一种3D的非常规超导体在异常高温下以100%的效率导电,产生了大量二维超导行为。他们的研究表明,这种所谓的“突现”行为可能是3D超导体在突然转变为绝缘状态之前如何自我重组的。在绝缘状态下,电子被限制在自己的原子中,根本不能移动。资料来源:Greg Stewart/SLAC国家加速器实验室

这是如何自发地出现复杂材料的令人惊讶的属性的一个例子 - 这是一种现象科学家希望利用新颖的技术。

创建二维材料,只有几个原子厚,通常是需要复杂设备的艰巨过程。因此,科学家们惊讶地看到2D水坑在三维超导体内部出现 - 一种允许电子以100%效率和零阻力行进的材料 - 没有提示。

在那些水坑中,超导电子恰好被限制在令人难以置信的薄的片状平面内,这种情况需要以某种方式向另一个维度交叉,其中量子物理学的不同规则适用。

“这是一种诱人的陈述行为的例子,它通常难以或不可能通过试图从划伤工程来复制,”斯坦福大学和能源科学研究院(Simes)的斯坦福大学和调查员(Simes)教授Hari Manoharan说at the Department of Energy’s SLAC National Accelerator Laboratory, who led the research.

“就好像赋予超级导电的力量时,”他说,“3D电子选择自己生活在2D世界中。”

研究小组称这种新现象为“跨维度超导”国家科学院的诉讼程序在2021年4月12日,他们建议这是3D超导体在突然转变为绝缘状态之前,3D超导体如何重新组织它们,其中电子被限制在其家原子上,并且根本无法移动。

“我们发现的是电子以意想不到的方式行事的系统。这是物理学的美丽,“Slac和Stanford的Proddoctoral研究员Carolina Parra表示,在进行的实验中导致了这种有趣结果的可视化。“我们很幸运能找到这种行为。”

电子奇怪的奇怪

虽然超导在一个多世纪前被发现,其有用性仅限于材料在靠近深层空间的温度下变得超导。

因此,1986年的宣布,科学家们发现了一种新的和意外的超导材料,虽然仍然很冷 - 气温仍然持续到这一天的研究,但目的是弄清楚新的研究材料操作和开发开发的版本,适用于更靠近室温的应用,适用于完美有效的电力线和Maglev列车。

本研究开始于高温超导体,称为BPBO的四种原子成分 - 钡,铅,铋和氧气。它在斯坦福教授的实验室合成,并通过PaulaGiraldo-Gallo,当时是Paula Giraldo-Gallo的Simes Incoridator Ian Fisher。

作为研究人员通过常规测试,包括确定其在超导和绝缘相位在蒸汽或冰的绝缘相位之间翻转的过渡温度 - 他们意识到它们的数据显示电子表现得像它们被限制在超薄,材料中的2D层或条纹。这是一个难题,因为BPBO是一个3D超导体,其电子通常可以自由地在它们所喜欢的任何方向上移动。

令人兴奋的,Manoharan的团队用扫描隧道显微镜或STM - 一种仪器,可以识别材料的顶部几个原子层中的单个原子的仪器。

互动水坑

他们发现的条纹似乎与材料的原子组织或微小的凸起和表面上的浸在表面上没有任何关系。

“相反,条纹是层的层,电子表现得像它们被限制在材料中,”帕拉说。“水坑之间的距离足够短,以至于电子可以”看到“并以允许它们在没有阻力的情况下移动的方式相互交互,这是超导性的标志。”

卡罗莱纳州帕拉

卡罗莱娜·帕拉(中)是斯坦福大学的博士后,她进行的实验导致了这些有趣的结果的可视化,现在是智利费德里科·圣塔理工大学María技术大学的一个实验室的负责人,专注于纳米级生物材料的跨学科研究。她最近获得了一笔拨款,用来购买和操作南美洲的第一台低温扫描隧道显微镜,她计划用它继续这一研究方向。图片来源:Carolina Parra提供

由于科学家们小心地将温度和其他条件朝向超导体成为绝缘体的过渡点的温度和其他条件出现的2D水坑。

他们的观察与俄亥俄州州立大学和同事开发的超导体中的“紧急电子粒度”理论与俄亥俄州立大学和同事开发。

“我们的预测与超导体的标准范式相违背,”特里维迪说。“通常,超导体越强,打破超导电子对之间的键需要的能量就越多,这个因素我们称之为能量间隙。但是我的团队预测,在这种特殊类型的无序超导体中,相反的情况是正确的:系统会形成突现的水坑,其中的超导性很强,但对会以比预期少得多的能量被打破。

“看到斯坦福小组的STM测量结果证实了这些预测,真是太令人激动了!”

传播科学

Parrs说,结果对制作2D材料具有实际影响。

“制造2D材料的大多数方法是工程方法,如生长薄膜的几个原子层厚或在两种材料之间产生尖锐的界面并在那里限制2D状态,”她说。“这提供了额外的方法来获得这些2D超导状态。它更便宜,您不需要花哨的设备,需要非常低的温度,并且不需要几天和几周。唯一棘手的部分将使材料的构成恰到好处。“

帕拉现在在瓦尔帕莱索(智利)的Federico SantaMaría技术大学领先一个实验室,专注于纳米级生物材料的跨学科研究。她最近获得了一笔拨款,用来购买和操作南美洲的第一台低温扫描隧道显微镜,她计划用它继续这一研究方向。

“When I have this equipment in the lab,” she said, “I will connect it with all the things I learned in Hari’s lab and use it to teach a new generation of researchers that we’re going to have working in nanoscience and nanotechnology in Chile.”

参考:4月12日12月12日,国家科学院的诉讼程序
DOI:10.1073 / PNAS.201781011

该研究由DOE科学办公室资助。

是第一个评论关于“敬畏的科学家观察二维电子水坑自发地出现在三维超导材料中”

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