 Международная группа исследователей, в том числе Институт нанотехнологий Университета Твенте в Нидерландах и Аргоннская национальной лаборатория в США, заявили об наблюдении динамического перехода Мотта в сверхпроводнике.
Открытие экспериментально соединяет миры классической и квантовой механики и освещает таинственный характер перехода Мотта. Оно также может пролить свет на неравновесную физику, который плохо понимается, но при этом управляет большинством того, что происходит в нашем мире. Открытие может также стать шагов к появлению более эффективной электроники на основе перехода Мотта.
Имея основы, заложенные в начале 20-го века, ученые пытались примирить квантовую механику с правилами классической или ньютоновской физики (как вы бы описали путь яблока, брошенного в воздух или падающего с дерева). Физики добились успехов в объединении этих двух подходов, но эксперименты, которые соединяют их, еще далеки от реализации; физические явления, как правило, классифицируются как квантовые или классические, но не как оба одновременно.
Одна система, которая объединяет два вида, находится в сверхпроводниках - материалах, которые проводят электричество при охлаждении до очень низких температур. Магнитные поля проникают в сверхпроводящий материал в виде мельчайших волокон, называемых вихрями, которые контролируют электронные и магнитные свойства материалов.
Эти вихри отображают как классические, так и квантовые свойства, которые привели исследователей к их изучению для доступа к одному из самых загадочных явлений в современной физике конденсированных сред: переходу диэлектрик-металл, или переходу Мотта.
Переход Мотта происходит в некоторых материалах, которые, согласно учебникам квантовой механики, должны быть металлами, но в действительности превращаются в изоляторы. Переход Мотта остается загадочным явлением – даже не совсем ясно, является ли он классическим или квантовым явлением. Кроме того, ученые никогда не наблюдали непосредственно динамический переход Мотта, в котором фазовый переход из изолирующего в металлическое состояние индуцируется проходом электрического тока через систему; разупорядочение, присущее реальным системам, скрывает свойства Мотта.
В университете Твенте исследователи построили систему, содержащую 90000 сверхпроводящих ниобиевых наноразмерных островков на вершине золотой пленки. В этой конфигурации, вихри располагаются в энергетических углублениях, подобно коробке яиц - и заставляют материал действуют в качестве изолятора Мотта, поскольку вихри не будут двигаться, если приложенный электрический ток являются слишком малым.
Однако, когда ученые применилидостаточно большой электрический ток, они увидели динамический переход Мотта, где система превратилась в проводящий металл; свойства материала изменились по мере того, как ток вывел его из равновесия.
Система вихрей вела себя так же, как электронный переход Мотта, обусловленный температурой. Это позволяет экспериментально материализовать соответствие между квантовой и классической физикой.
Теперь ученые могут контролируемым способом побудить фазовый переход между состоянием заблокированных вихрей и странствующих вихрей с применением электрического тока в системе. Изучение этих фазовых переходов интересно в своем собственном праве, и может обеспечить дальнейшее понимание в электронных переходов в реальных материалах.
Система может дополнительно предоставить ученым понимание двух категорий физики, которые было трудно понять: системы многих тел и системы вне равновесия. Как следует из названия, проблемы многих тел включает в себя большое количество взаимодействующих частиц; в современной теории их очень сложно смоделировать и понять. Кроме того, эта система будет ключом к созданию общего понимания физики вне-равновесия.
Равновесные системы в настоящее время являются хорошо понятными. Но почти все в нашей жизни связано с потоком энергии - от фотосинтеза и пищеварения до тропических циклонов, и учение еще не имеют физики, чтобы описать все эти процессы. Ученые считают, что лучшее понимание может привести к огромным улучшения в захвате энергии, батареям, устройствам хранения энергии, электронике и многому другому.
Поскольку мы стремимся сделать электронику быстрее и меньше, системы Мотта также могут предложить возможную альтернативу кремниевому транзистору. Так как они могут быть перевернуты между проводящими и изоляционными состояниями с небольшими изменениями в напряжении, они могут быть в состоянии кодировать единицы и нули в меньших масштабах и иметь более высокую точность, чем кремниевые транзисторы.
|
