Die Supraleitung wurde 1911 entdeckt, ihre Eigenschaften und Eigenschaften wurden jedoch noch nicht vollständig untersucht. Neue Forschungen zu Nanodrähten helfen zu verstehen, wie dieses Phänomen verloren geht.
Das Problem, Getränke im heißen Sommer kalt zu halten, ist eine klassische Phase-Change-Lektion. Sie müssen untersucht werden, der Stoff muss erhitzt werden und die Änderung seiner Eigenschaften muss beobachtet werden. Wenn Sie den sogenannten kritischen Punkt erreichen, fügen Sie Wasser oder Wärme hinzu - und beobachten Sie, wie sich die Substanz in Gas (oder Dampf) verwandelt.
Stellen Sie sich nun vor, Sie haben alles auf sehr niedrige Temperaturen abgekühlt - so sehr, dass alle thermischen Effekte verschwunden sind. Willkommen in der Quantenrealität, in der Druck und Magnetfelder die Entstehung neuer Phasen in keiner Weise beeinflussen! Dieses Phänomen wird als Quantenphasenübergang bezeichnet. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Übergang bildet ein Quantenübergang völlig neue Eigenschaften wie die Supraleitung (in einigen Materialien).
Wenn Sie ein supraleitendes Metall mit Spannung versorgen, wandern Elektronen ohne Widerstand durch das Material, und elektrischer Strom fließt unbegrenzt, ohne sich zu verlangsamen oder Wärme zu erzeugen. Einige Metalle werden bei hohen Temperaturen supraleitend, was bei der Energieübertragung und Datenverarbeitung auf der Basis von Supraleitern wichtig ist. Wissenschaftler haben dieses Phänomen vor 100 Jahren entdeckt, aber der Mechanismus der Supraleitung selbst bleibt ein Rätsel, da die meisten Materialien zu komplex sind, um die Physik des Quantenphasenübergangs im Detail zu verstehen. In diesem Fall besteht die beste Strategie darin, sich auf das Erlernen weniger komplexer Modellsysteme zu konzentrieren.
Physiker an der Universität von Utah haben entdeckt, dass supraleitende Nanodrähte aus einer Molybdän-Germanium-Legierung Quantenphasenübergänge von supraleitendem zu gewöhnlichem Metall durchlaufen, wenn sie bei niedrigen Temperaturen in ein gewöhnliches Magnetfeld gebracht werden. Diese Studie enthüllte zunächst den mikroskopischen Prozess, durch den ein Material seine Supraleitung verliert: Ein Magnetfeld zerlegt Elektronenpaare - Cooper-Paare interagieren mit anderen Paaren des gleichen Typs - und sie erfahren eine Dämpfungskraft von ungepaarten Elektronen im System.
Die Forschung wird in einer kritischen Theorie detailliert beschrieben, die von Adrian Del Maestro, Assistenzprofessor an der Universität von Vermont, vorgeschlagen wurde. Die Theorie beschrieb genau, wie die Entwicklung der Supraleitung von der kritischen Temperatur, der Größe des Magnetfelds und der Orientierung, der Querschnittsfläche des Nanodrahts und den mikroskopischen Eigenschaften des Materials abhängt, aus dem es besteht. Dies ist das erste Mal auf dem Gebiet der Supraleitung, dass alle Details eines Quantenphasenübergangs theoretisch vorhergesagt werden und an realen Objekten im Labor bestätigt werden.
"Quantenphasenübergänge mögen sehr exotisch klingen, aber sie werden in vielen Systemen beobachtet - von den Zentren der Sterne über Atomkerne bis hin zu Magneten und Isolatoren", sagte Andrey Rogachev, Assistenzprofessor an der Universität von Utah und Hauptautor der Studie. "Sobald wir die Quantenschwingungen in diesem einfacheren System verstanden haben, können wir über jedes Detail des mikroskopischen Prozesses sprechen und es auf komplexere Objekte anwenden."
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