Ilmuwan Terpesona Menyaksikan Genangan Elektron 2D Muncul Secara Spontan menjadi Material Superkonduktor 3D

Ilmuwan SLAC dan Stanford telah mengamati genangan air dari perilaku superkonduktor 2D yang muncul dari superkonduktor 3D yang tidak konvensional, yang menghantarkan listrik dengan efisiensi 100% pada suhu yang sangat tinggi. Studinya menunjukkan bahwa apa yang disebut perilaku “muncul” ini mungkin bagaimana superkonduktor 3D mengatur ulang sebelum pindah ke perubahan mendadak dalam keadaan terisolasi, di mana elektron terbatas pada atom rumah mereka dan tidak dapat bergerak masuk semuanya. Kredit: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

Ini adalah contoh bagaimana properti menakjubkan dapat muncul secara spontan dalam material yang kompleks – sebuah fenomena yang diharapkan para ilmuwan untuk dieksploitasi untuk teknologi baru.

Pembuatan material dua dimensi, dengan ketebalan hanya beberapa atom, seringkali merupakan proses yang sulit yang membutuhkan peralatan canggih. Jadi para ilmuwan terkejut melihat bahwa sumur 2D muncul dalam superkonduktor tiga dimensi – bahan yang memungkinkan elektron bergerak dengan efisiensi 100% dan tanpa hambatan – tanpa permintaan apa pun.

Di dalam genangan air ini, elektron superkonduktor telah bertindak seolah-olah mereka terkurung dalam bidang yang sangat tipis, mirip dengan daun, situasi yang memaksa mereka untuk melintasi dalam beberapa cara ke dimensi lain, di mana mereka menerapkan aturan fisika kuantum yang berbeda.

“Ini adalah contoh menarik dari perilaku yang muncul, yang seringkali sulit atau tidak mungkin untuk direproduksi dengan mencoba merekayasa dari awal,” kata Hari Manoharan, seorang profesor di Universitas Stanford dan peneliti di Institut Ilmu Material dan Energi Stanford (SIMES) ) ke Laboratorium SLAC Akselerator Nasional Departemen Energi, yang memimpin penelitian.

“Ini seperti memiliki kekuatan superkonduktor,” katanya, “Elektron 3D memilih sendiri untuk hidup di dunia 2D.”

Tim peneliti menyebut fenomena baru ini sebagai “superkonduktivitas antar-dimensi”, dan dalam sebuah laporan di Prosiding National Academy of Sciences pada 12 April 2021, mereka menyarankan bahwa ini adalah bagaimana superkonduktor 3D mengatur ulang sebelum pindah ke perubahan mendadak dalam keadaan terisolasi, di mana elektron terbatas pada atom rumah mereka dan tidak dapat bergerak sama sekali.

“Apa yang kami temukan adalah sistem di mana elektron berperilaku tak terduga. Itulah keindahan fisika,” kata Carolina Parra, peneliti postdoctoral di SLAC dan Stanford pada saat penelitian yang melakukan eksperimen yang mengarah pada visualisasi hasil yang menarik ini. . “Kami sangat beruntung menemukan perilaku ini.”

Elektron bertindak aneh

Meskipun superkonduktivitas ditemukan lebih dari seabad yang lalu, kegunaannya dibatasi oleh fakta bahwa bahan menjadi superkonduktor hanya pada suhu yang mendekati suhu di luar angkasa.

Jadi pengumuman pada tahun 1986 bahwa para ilmuwan telah menemukan kelas bahan superkonduktor baru dan tak terduga yang beroperasi pada suhu yang jauh lebih tinggi – meskipun sangat dingin – memicu tsunami penelitian yang berlanjut hingga hari ini, dengan tujuan untuk memahami saat bahan baru beroperasi dan berkembang. versi yang bekerja mendekati suhu ruangan untuk aplikasi seperti saluran listrik yang sangat efisien dan kereta maglev.

Studi ini dimulai dengan superkonduktor suhu tinggi yang disebut BPBO karena empat bahan atomnya – barium, timbal, bismut, dan oksigen. Itu disintesis di laboratorium profesor Stanford dan peneliti SIMES Ian Fisher oleh Paula Giraldo-Gallo, seorang mahasiswa doktoral pada saat itu.

Ketika peneliti menempatkan kami melalui tes rutin, termasuk menentukan suhu transisi di mana ia berkedip antara fase superkonduktor dan isolator – seperti air yang berubah menjadi uap atau es – mereka menyadari bahwa data mereka menunjukkan elektron berperilaku seolah-olah mereka terbatas pada lapisan atau garis 2D sangat halus pada material. Itu adalah teka-teki, karena BPBO adalah superkonduktor 3D yang elektronnya biasanya bebas bergerak ke segala arah yang mereka suka.

Penasaran, tim Manoharan mengamati dengan cermat mikroskop pemindai terowongan, atau STM – alat yang dapat mengidentifikasi dan bahkan memindahkan atom individu ke dalam beberapa lapisan atom pertama dari suatu material.

Interaksi genangan air

Mereka menemukan, garis-garis itu tampaknya tidak ada hubungannya dengan cara tepi material itu diatur atau dengan tonjolan dan kemiringan kecil di permukaannya.

“Sebaliknya, strip adalah strata di mana elektron berperilaku seolah-olah dibatasi dalam 2D, ruang yang mirip dengan genangan di material,” kata Parra. “Jarak antara genangan air cukup pendek sehingga elektron dapat ‘melihat’ dan berinteraksi satu sama lain dengan cara yang memungkinkan mereka bergerak tanpa hambatan, yang merupakan ciri khas superkonduktivitas.”

Carolina Parra

Carolina Parra (tengah), yang sebagai postdoc Stanford melakukan eksperimen yang mengarah pada visualisasi hasil yang menarik ini, sekarang memimpin laboratorium di Universitas Teknik Federico Santa María di Valparaíso, Chili, dengan fokus pada studi analisis interdisipliner bahan biologi skala nano. Dia baru-baru ini memenangkan hibah untuk memperoleh dan mengelola mikroskop penerowongan pemindaian suhu rendah pertama di Amerika Selatan, yang dia rencanakan untuk digunakan untuk melanjutkan penelitian ini. Kredit: Foto milik Carolina Parra

Genangan 2D muncul saat para ilmuwan dengan hati-hati menyesuaikan suhu dan kondisi lainnya menuju titik transisi di mana superkonduktor akan menjadi isolator.

Pengamatannya sangat sesuai dengan teori “granularitas elektronik yang muncul” dalam superkonduktor, yang dikembangkan oleh Nandini Trivedi dari Ohio State University dan rekannya.

“Prediksi yang kami buat bertentangan dengan paradigma standar untuk superkonduktor,” kata Trivedi. “Biasanya, semakin kuat sebuah superkonduktor, semakin banyak energi yang dibutuhkan untuk memutus ikatan antara pasangan elektron superkonduktornya – sebuah faktor yang kita sebut celah energi. Tetapi kelompok saya telah memprediksikan bahwa dalam jenis gangguan superkonduktor khusus ini, kebalikannya adalah benar: Sistem akan membentuk genangan air yang muncul di mana superkonduktivitasnya kuat tetapi pasangannya dapat dipecah dengan energi yang jauh lebih sedikit daripada yang diharapkan.

“Sangat menarik melihat prediksi ini dikonfirmasi oleh pengukuran STM dari grup Stanford!”

Difusi sains

Hasilnya memiliki implikasi praktis untuk pembuatan materi 2D, kata Parra.

“Sebagian besar metode untuk membuat material 2D adalah pendekatan teknik, seperti menumbuhkan film beberapa lapisan atom yang tebal atau membuat antarmuka yang tajam antara dua material dan membatasinya pada keadaan 2D,” katanya. “Ini menawarkan cara tambahan untuk mencapai status superkonduktor 2D. Lebih murah, Anda tidak memerlukan peralatan mewah yang memerlukan suhu sangat rendah dan tidak memakan waktu berhari-hari dan berminggu-minggu. Satu-satunya bagian rumit adalah mendapatkan komposisi yang tepat. materi “.

Parra sekarang menjalankan laboratorium di Universitas Teknik Federico Santa María di Valparaíso, Chili, dengan fokus pada studi interdisipliner bahan biologi skala nano. Dia baru-baru ini memenangkan hibah untuk memperoleh dan mengelola mikroskop penerowongan pemindaian suhu rendah pertama di Amerika Selatan, yang dia rencanakan untuk digunakan untuk melanjutkan penelitian ini.

“Saat saya memiliki peralatan ini di lab,” katanya, “itu terhubung dengan semua yang telah saya pelajari di lab Hari dan saya akan mengajarkannya kepada generasi peneliti baru yang akan kami kerjakan dalam ilmu nano dan nanoteknologi. di Chili. “

Referensi: 12 April 2021, Prosiding National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073 / pnas. 201781011

Penelitian ini didanai oleh DOE Office of Science.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Alat-alat baru dibutuhkan untuk mencegah pandemi penyakit tanaman

Mengamati penyakit tanaman dapat mengungkapkan keamanan pangan. Penyakit tanaman tidak berhenti di perbatasan negara, dan kilometer lautan juga tidak mencegah penyebarannya. Itulah mengapa pengawasan...

Ilmuwan Menjelajahi Tesla Roads Jangan Ambil – Dan Temukan Kekuatan Baru Berguna dalam Penemuan Centennial

Foto eksposur ganda Nikola Tesla pada bulan Desember 1899 duduk di laboratoriumnya di Colorado Springs di sebelah kaca pembesar generator tegangan tinggi sementara mesin...

Untuk Mempercepat Akses, Mikroskopi yang Sangat Dapat Diputar Meninggalkan “Di Bawah Kisi”

Contoh desain ubin yang digunakan pada ulat percobaan C. elegans. Mesin non-grid memberi model fleksibilitas sementara untuk dengan cepat memasuki lingkungan yang menyenangkan....

Lingkar Kuno Munculnya Tektonik Lempeng Data 3,6 Miliar Tahun Lalu – Peristiwa Penting untuk Memperkaya Kehidupan Bumi

Zirkonia yang dipelajari oleh tim peneliti, difoto menggunakan katodoluminesensi, memungkinkan tim untuk melihat bagian dalam kristal menggunakan mikroskop elektron khusus. Lingkar zirkon adalah...

Bisakah kita mengurangi kecanduan opioid? [Video]

Pada 2017, jutaan orang di seluruh dunia kecanduan opioid dan 115.000 meninggal karena overdosis. Opioid adalah obat penghilang rasa sakit paling manjur yang kita miliki,...

Newsletter

Subscribe to stay updated.