«Раскручивание» фазовых переходов в сверхпроводниках

Связь между запутанностью, энергией и фазовым переходом из сверхпроводника в изолятор — это не просто теоретическая диковинка.

Недавно ученые обнаружили неожиданную связь между квантовой запутанностью и энергией, необходимой для перевода материи из сверхпроводящего состояния в изолирующее.

Сверхпроводимость, при которой электрическое сопротивление материала исчезает, является квантовым свойством и возникает при соединении двух электронов. Но точная роль запутанности, особенно когда материал претерпевает переходы из одного состояния в другое, например, из сверхпроводника в изолятор, до сих пор относительно неизвестна.

Группа ученых из Йоркского университета считает, что более четкое понимание позволит им разработать квантовые технологии, такие как сверхпроводники при комнатной температуре или квантовые батареи. Но прежде чем они смогут перейти к этим продвинутым приложениям, команде сначала необходимо понять, что происходит с частицами в таких материалах, когда они переходят из одного состояния в другое.

«Квантовый фазовый переход, который мы изучаем, связывает два разных состояния: первое — это сверхпроводимость, при котором электроны могут свободно перемещаться без сопротивления», — объяснила Ирен Д’Амико, профессор кафедры физики Йоркского университета и один из соавторов исследования. . Авторы, на эл. «Второй — это изолятор, в котором электроны локализованы, и чтобы переместить их, нужно заплатить высокую энергию».

Эта локализация или стабилизация электронов сверхпроводника достигается за счет введения в материал примесей — атомов или молекул, которые взаимодействуют с электронами.

«Контролируя добавление примесей в систему, мы стимулируем переход между двумя состояниями [from superconductor to insulator]«Примеси препятствуют движению электронов, притягивая их, а затем удерживая на месте», — сказал Д’Амико.

Достижение дна фазовых переходов сверхпроводника

Фазовые переходы — это внезапные изменения состояния системы, например переход от жидкости к пару. Когда и как происходит фазовый переход, зависит от точных деталей взаимодействия между частицами, составляющими систему, такими как электроны и примеси в сверхпроводнике, упомянутом Д’Амико.

в Стади Опубликовано в Передовые квантовые технологииД’Амико и группа ученых из Ирландии, Бразилии и Великобритании проанализировали фазовый переход между сверхпроводником и изолятором, используя модель Хаббарда — квантовую теорию, часто используемую для описания движения и взаимодействия электронов.

С помощью компьютерного моделирования исследователи изучили, как изменения количества примесей, силы их взаимодействия с электронами и квантовой запутанности электронов влияют на способность материала превращаться в изолятор из сверхпроводящей системы.

Они обнаружили, что в материале, который вот-вот превратится из сверхпроводника в изолятор (например, в воде, нагретой до кипения, но еще не испарившейся), энергия, необходимая для изменения концентрации примесей и скорости, с которой они притягивают электроны к сверхпроводящему материалу сильнее по сравнению с тем, когда состояние системы находится дальше от перехода.

Удивительно, но уровень запутанности электронов при переходе оказался минимальным — ранее неизвестное свойство. «Насколько нам известно, наша статья является первой, связывающей локальную перепутанность фаз и… [energy required to change the system]Д’Амико добавил.

«следующий этап»

Эта взаимосвязь между фазовым переходом, энергозатратами и запутанностью представляет собой не просто теоретическую диковинку, но и может быть применена в экспериментальных исследованиях. Некоторые из точных свойств энергии, необходимой для изменения системы, также известных как работа, предоставляют новые инструменты для более детального изучения фазового перехода сверхпроводник-изолятор в будущем.

«Мы обнаружили, что некоторые свойства распределения работы очень чувствительны к квантовым фазовым переходам и могут быть использованы для их указания», — объяснил Д’Амико. «В принципе, это могло бы быть способом измерить возникновение этого перехода, который до сих пор не совсем понятен».

Помимо теоретической важности, понимание микроскопических явлений, происходящих во время перехода, может быть воплощено в практическом применении. Видение команды может привести к разработке более эффективных батарей, в которых энергия хранится в квантовых состояниях атомов и молекул, а также квантовых тепловых двигателей, приводимых в движение изменениями физических состояний.

«С технологической точки зрения максимальная работа при переходе означает, что система поглощает больше всего энергии. [at that point in time]. Эту функцию можно использовать для реализации батареи критического количества. [which requires knowing when the system can store the most energy to be most efficient]Д’Амико объяснил.

Ссылка: Кшися Завадски и др., Статистика действия и запутанности посредством фермионного сверхтекучего диэлектрического перехода, Передовые квантовые технологии (2024). дои: 10.1002/quote.202300237

Рекомендованное изображение предоставлено: Pixabay