Οι επιστήμονες έχουν σημειώσει πρόοδο στην κατανόηση της συμπεριφοράς ενός παράξενου μετάλλου που ονομάζεται Y-ball, το οποίο είναι κρίσιμο για τα κβαντικά υλικά επόμενης γενιάς και θα μπορούσε να τροφοδοτήσει τις μελλοντικές τεχνολογίες. Χρησιμοποιώντας ακτίνες γάμμα σε φασματοσκοπία σύγχροτρον και Mossbauer, οι ερευνητές βρήκαν ασυνήθιστες διακυμάνσεις στο ηλεκτρικό φορτίο της μπάλας Y και ανακάλυψαν ότι αυτά τα περίεργα μέταλλα μπορεί να ανοίξουν το δρόμο για υπεραγωγιμότητα σε υψηλή θερμοκρασία και άλλες κβαντικές εφαρμογές.
Οι φυσικοί στο Πανεπιστήμιο Rutgers έχουν προσφέρει θεωρητικές προοπτικές σε ένα πείραμα που περιλαμβάνει ένα «παράξενο μέταλλο», το οποίο θα μπορούσε να παίξει κρίσιμο ρόλο στην ανάπτυξη μελλοντικών κβαντικών τεχνολογιών.
Οι ερευνητές που ερευνούν μια ένωση που ονομάζεται «Y-ball», η οποία ανήκει σε μια μυστηριώδη κατηγορία «παράξενων μετάλλων» που θεωρούνται κρίσιμα για την ανάπτυξη προηγμένων κβαντικών υλικών, ανακάλυψαν νέες μεθόδους για να εξετάσουν και να κατανοήσουν τη συμπεριφορά τους.
Τα αποτελέσματα των πειραμάτων μπορούν να συμβάλουν στη δημιουργία τεχνολογιών και συσκευών που προκαλούν αναστάτωση.
“Τα κβαντικά υλικά είναι πιθανό να οδηγήσουν την επόμενη γενιά τεχνολογίας, και τα περίεργα μέταλλα αποτελούν μέρος αυτής της ιστορίας”, δήλωσε ο Piers Coleman, Διακεκριμένος Καθηγητής του Κέντρου Θεωρίας Υλικών Rutgers στο Τμήμα Φυσικής και Αστρονομίας. Rutgers. Τεχνών και Επιστημών και ένας από τους θεωρητικούς που συμμετείχαν στη μελέτη. «Γνωρίζουμε ότι τα σπάνια μέταλλα όπως το Y-ball παρουσιάζουν ιδιότητες που πρέπει να γίνουν κατανοητές για να αναπτυχθούν αυτές οι μελλοντικές εφαρμογές. Είμαστε σίγουροι ότι η κατανόηση αυτού του παράξενου μετάλλου θα μας δώσει νέες ιδέες και θα μας βοηθήσει να σχεδιάσουμε και να ανακαλύψουμε νέα υλικά».
ρεπορτάζ στην εφημερίδα Επιστήμη, μια διεθνής ομάδα ερευνητών από το Rutgers, το Πανεπιστήμιο του Hyogo και το Πανεπιστήμιο του Τόκιο στην Ιαπωνία, το Πανεπιστήμιο του Σινσινάτι και το Πανεπιστήμιο Johns Hopkins περιέγραψαν λεπτομέρειες της κίνησης των ηλεκτρονίων που παρέχουν νέα εικόνα για τις ασυνήθιστες ηλεκτρικές ιδιότητες του Y-ball. Το υλικό, γνωστό τεχνικά ως ένωση YbAlB4, περιέχει τα στοιχεία υττέρβιο, αλουμίνιο και βόριο. Είχε το παρατσούκλι “Y-ball” από τον αείμνηστο Elihu Abrahams, ιδρυτικό διευθυντή του Rutgers Center for Materials Theory.
Το πείραμα αποκάλυψε ασυνήθιστες διακυμάνσεις στο ηλεκτρικό φορτίο του παράξενου μετάλλου. Το έργο είναι πρωτοποριακό, είπαν οι ερευνητές, λόγω του καινοτόμου τρόπου με τον οποίο οι πειραματιστές εξέτασαν τη σφαίρα Υ, εκτοξεύοντας ακτίνες γάμμα σε αυτήν χρησιμοποιώντας ένα σύγχροτρον, έναν τύπο επιταχυντή σωματιδίων.
Η ομάδα Rutgers, η οποία περιλαμβάνει τον Coleman, τον καθηγητή φυσικής Premala Chandra και τον πρώην μεταδιδακτορικό συνεργάτη Yashar Komijani (τώρα επίκουρος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Σινσινάτι), έχουν περάσει χρόνια εξερευνώντας τα μυστήρια των περίεργων μετάλλων. Αυτό το κάνουν μέσω του πλαισίου της κβαντικής μηχανικής, των φυσικών νόμων που διέπουν το βασίλειο του εξαιρετικά μικρού, που φιλοξενεί τα δομικά στοιχεία της φύσης, όπως τα ηλεκτρόνια.
Αναλύοντας το υλικό χρησιμοποιώντας μια τεχνική γνωστή ως φασματοσκοπία Mossbauer, οι επιστήμονες εξέτασαν τη σφαίρα Υ με ακτίνες γάμμα, μετρώντας τον ρυθμό με τον οποίο κυμαίνεται το ηλεκτρικό φορτίο του παράξενου μετάλλου. Σε ένα συμβατικό μέταλλο, καθώς κινούνται, τα ηλεκτρόνια πηδούν μέσα και έξω από τα άτομα, προκαλώντας διακυμάνσεις του ηλεκτρικού τους φορτίου, αλλά με ρυθμό χιλιάδες φορές υπερβολικά γρήγορο για να ανιχνευθεί από τη φασματοσκοπία Mossbauer. Σε αυτή την περίπτωση, η αλλαγή συνέβη σε ένα νανοδευτερόλεπτο, ένα δισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου.
«Στον κβαντικό κόσμο, ένα νανοδευτερόλεπτο είναι μια αιωνιότητα», είπε ο Komijani. «Για πολύ καιρό, αναρωτιόμασταν γιατί αυτές οι διακυμάνσεις είναι τόσο αργές». «Σκεφτόμαστε», συνέχισε ο Chandra, «ότι κάθε φορά που ένα ηλεκτρόνιο πηδά σε ένα υττέρβιο[{” attribute=””>atom, it stays there long enough to attract the surrounding atoms, causing them to move in and out. This synchronized dance of the electrons and atoms slows the whole process so that it can be seen by the Mossbauer.”
They moved to the next step. “We asked the experimentalists to look for these vibrations,” said Komijani, “and to our delight, they detected them.”
Coleman explained that when an electrical current flows through conventional metals, such as copper, random atomic motion scatters the electrons causing friction called resistance. As the temperature is raised, the resistance increases in a complex fashion and at some point, it reaches a plateau.
In strange metals such as Y-ball, however, resistance increases linearly with temperature, a much simpler behavior. In addition, further contributing to their “strangeness,” when Y-ball and other strange metals are cooled to low temperatures, they often become superconductors, exhibiting no resistance at all.
The materials with the highest superconducting temperatures fall into this strange family. These metals are thus very important because they provide the canvas for new forms of electronic matter – especially exotic and high-temperature superconductivity.
Superconducting materials are expected to be central to the next generation of quantum technologies because, in eliminating all electrical resistance, they allow an electric current to flow in a quantum mechanically synchronized fashion. The researchers see their work as opening a door to future, perhaps unimaginable possibilities.
“In the 19th century, when people were trying to figure out electricity and magnetism, they couldn’t have imagined the next century, which was entirely driven by that understanding,” Coleman said. “And so, it’s also true today, that when we use the vague phrase ‘quantum materials,’ we can’t really envisage how it will transform the lives of our grandchildren.”
Reference: “Observation of a critical charge mode in a strange metal” by Hisao Kobayashi, Yui Sakaguchi, Hayato Kitagawa, Momoko Oura, Shugo Ikeda, Kentaro Kuga, Shintaro Suzuki, Satoru Nakatsuji, Ryo Masuda, Yasuhiro Kobayashi, Makoto Seto, Yoshitaka Yoda, Kenji Tamasaku, Yashar Komijani, Premala Chandra and Piers Coleman, 2 March 2023, Science.
DOI: 10.1126/science.abc4787
The study was funded by the National Science Foundation, the U.S. Department of Energy, Japan Science and Technology Agency, the Ministry of Education, Culture, Sports, Science, and Technology of Japan, Japan Synchrotron Radiation Research Institute, and RIKEN.