Открытие экспериментально связывает миры классической и квантовой механики и проливает свет на загадочную природу перехода Мотта. Это также может пролить свет на неравновесную физику, которая плохо изучена, но определяет большую часть того, что происходит в нашем мире.
Это открытие может также представлять собой шаг к более эффективной электронике на основе перехода Мотта.С тех пор, как ее основы были заложены в начале 20-го века, ученые пытались согласовать квантовую механику с правилами классической или ньютоновской физики (например, как вы описываете путь яблока, брошенного в воздух или падающего с дерево).
Физики добились успехов в объединении этих двух подходов, но экспериментов, которые связывают эти два подхода, по-прежнему немного, и они далеки друг от друга; Физические явления обычно классифицируются как квантовые или классические, но не на то и другое одновременно.Одна система, которая объединяет эти два, находится в сверхпроводниках, определенных материалах, которые отлично проводят электричество при охлаждении до очень низких температур. Магнитные поля проникают в сверхпроводящий материал в виде крошечных нитей, называемых вихрями, которые контролируют электронные и магнитные свойства материалов.Эти вихри обладают как классическими, так и квантовыми свойствами, что побудило исследователей изучить их, чтобы получить доступ к одному из самых загадочных явлений современной физики конденсированного состояния: переходу изолятора Мотта в металл.
Переход Мотта происходит в определенных материалах, которые, согласно учебнику квантовой механики, должны быть металлами, но на самом деле превращаются в изоляторы. Переход Мотта — сложное явление, контролируемое взаимодействием многих квантовых частиц, остается загадочным — не совсем ясно, является ли он классическим или квантовым явлением. Более того, ученые никогда напрямую не наблюдали динамический переход Мотта, при котором фазовый переход из изолирующего в металлическое состояние индуцируется пропусканием электрического тока через систему; беспорядок, присущий реальным системам, маскирует свойства Мотта.
В Университете Твенте исследователи построили систему, содержащую 90 000 сверхпроводящих островков ниобия наноразмерных размеров поверх золотой пленки. В этой конфигурации вихри энергетически легче всего оседают в энергетических ямках в таком устройстве, как ящик для яиц, и заставляют материал действовать как изолятор Мотта, поскольку вихри не будут двигаться, если приложенный электрический ток будет небольшим.
Однако, когда они применили достаточно большой электрический ток, ученые увидели динамический переход Мотта, когда система перевернулась, чтобы стать проводящим металлом; свойства материала изменились, поскольку ток вытеснил его из равновесия.Вихревая система вела себя точно так же, как электронный переход Мотта, вызванный температурой, сказал Валерий Винокур, заслуженный научный сотрудник Аргонны и автор-корреспондент исследования.
Он и соавтор исследования Татьяна Батурина, тогда работавшая в Аргонне, проанализировали данные и распознали поведение Мотта.«Это экспериментально материализует соответствие между квантовой и классической физикой», — сказал Винокур.«Мы можем управляемо вызвать фазовый переход между состоянием заблокированных вихрей и странствующими вихрями, подав электрический ток в систему», — сказал Ханс Хильгенкамп, глава исследовательской группы Университета Твенте. «Изучение этих фазовых переходов в наших искусственных системах само по себе интересно, но может также дать дальнейшее понимание электронных переходов в реальных материалах».Система могла бы дополнительно предоставить ученым понимание двух категорий физики, которые было трудно понять: системы многих тел и системы, находящиеся вне равновесия.
«Это классическая система, с которой легко экспериментировать, и она обеспечивает то, что выглядит как доступ к очень сложным многотельным системам», — сказал Винокур. «Это немного похоже на магию».Как следует из названия, задачи многих тел включают взаимодействие большого числа частиц; в соответствии с современной теорией их очень трудно смоделировать или понять.«Кроме того, эта система будет ключом к общему пониманию физики неравновесия, что станет большим прорывом в физике», — сказал Винокур.
Министерство энергетики назвало пять основных проблем современности в области энергетики; одна из них — понимание и контроль неравновесных явлений. Равновесные системы, в которых энергия не движется, теперь достаточно хорошо изучены. Но почти все в нашей жизни связано с потоками энергии, от фотосинтеза до пищеварения и тропических циклонов, и у нас пока нет физики, чтобы хорошо это описать. Ученые считают, что лучшее понимание может привести к огромным улучшениям в области захвата энергии, аккумуляторов и накопителей энергии, электроники и многого другого.
Поскольку мы стремимся делать электронику быстрее и меньше, системы Mott также предлагают возможную альтернативу кремниевым транзисторам. Поскольку их можно переключать между проводящими и изолирующими с небольшими изменениями напряжения, они могут кодировать единицы и нули в меньших масштабах и с большей точностью, чем кремниевые транзисторы.
«Изначально мы изучали структуры по совершенно другим причинам, а именно для исследования влияния неоднородностей на сверхпроводимость», — сказал Хильгенкамп. «После обсуждения с Валерием Винокуром в Аргонне мы более подробно изучили наши данные и были весьма удивлены, увидев, что он так хорошо раскрыл детали перехода между состоянием заблокированных и движущихся вихрей. Есть много идей для дальнейших исследований, и мы надеемся на наше дальнейшее сотрудничество ».