Wetenschappers versmelten twee ‘onmogelijke’ materialen in nieuwe kunstmatige structuur

Een internationaal team onder leiding van Rutgers University-New Brunswick-onderzoekers heeft twee lab-gesynthetiseerde materialen samengevoegd tot een synthetische kwantumstructuur ooit vond het onmogelijk om te bestaan ​​en produceerde een exotische structuur die naar verwachting inzichten zou geven die kunnen leiden tot nieuwe materialen in de kern van kwantum computing.

Het werk, beschreven In een coververhaal in het dagboek Nano letterslegt uit hoe vier jaar continue experimenten hebben geleid tot een nieuwe methode voor het ontwerpen en bouwen van een uniek, klein sandwich bestaande uit verschillende atomaire lagen.

Eén deel van de microscopische structuur is gemaakt van dysprosiumtitanaat, een anorganische verbinding die wordt gebruikt in kernreactoren om radioactieve materialen te vangen en ongrijpbare magnetische monopooldeeltjes te bevatten, terwijl de andere bestaat uit pyrochlore iridaat, een nieuwe magnetische semimetaal die in het hedendaagse experimentele onderzoek wordt gebruikt als gevolg van het experimentele onderzoek van de distinale elektronische, topologische en magnetische properties.

Individueel worden beide materialen vaak overwogen “onmogelijk” Materialen vanwege hun unieke eigenschappen die het conventionele begrip van de kwantumfysica uitdagen.

De constructie van de exotische sandwichstructuur vormt het toneel voor wetenschappelijke verkenningen in wat de interface wordt genoemd, het gebied waar de materialen bijeenkomen, op atomaire schaal.

“Dit werk biedt een nieuwe manier om volledig nieuwe kunstmatige tweedimensionale kwantummaterialen te ontwerpen, met het potentieel om kwantumtechnologieën te pushen en dieper inzicht te geven in hun fundamentele eigenschappen op manieren die voorheen onmogelijk waren,” Zei Jak Chakhalian, de Claud Lovelace begiftigde professor experimentele fysica in de afdeling natuurkunde en astronomie aan de Rutgers School of Arts and Sciences en een hoofdonderzoeker de studie.

Chakhalian en zijn team onderzoeken een rijk dat volgt op de wetten van de kwantumtheorie, een tak van natuurkunde die het gedrag van materie en energie op het atoom- en subatomaire niveau beschrijft. Centraal in de kwantummechanica staat het concept van dualiteit van golfdeeltjes, waarbij kwantumobjecten zowel golfachtige als deeltjesachtige eigenschappen kunnen bezitten-een fundamenteel principe achter technologieën zoals lasers, magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) en transistoren.

Chakhalian prees de inspanningen van drie Rutgers-studenten die grote bijdragen hebben geleverd aan het onderzoek: Michael Terilli en Tsung-Chi Wu, beide doctoraatsstudenten, en Dorothy Doughty, die in 2024 afstudeerde en aan de studie werkten als student. Bovendien heeft Mikhail Kareev, een materiaalwetenschapper die met Chakhalian werkt, een belangrijke bijdrage geleverd aan de nieuwe synthesemethode, evenals Fangdi Wen, een doctoraatsstudent die onlangs is afgestudeerd aan het Department of Physics and Astronomy.

Chakhalian zei dat het creëren van de unieke kwantumsandwich zo technisch een uitdaging was dat het team een ​​nieuw apparaat moest bouwen om de prestatie te bereiken.

Het instrument, Q-dip genoemd, kort voor het ontdekkingsplatform van Quantum Phenomenen, werd voltooid in 2023. Q-DIP bevat een infrarood laserverwarming met een andere laser die de constructie van materialen op een atoomniveau, laag per laag, mogelijk maakt. De combinatie stelt de wetenschappers in staat om de meest ingewikkelde kwantumeigenschappen van materialen te verkennen tot ultrakoude temperaturen in de buurt van absolute nul.

“Voor zover wij weten, is deze sonde uniek in de VS en vertegenwoordigt een doorbraak als een instrumentale vooruitgang,” Zei Chakhalian.

De helft van de experimentele sandwich die dysprosiumtitanaat is, ook bekend als spin -ijs, bezit speciale kwaliteiten. Kleine magneten binnen, spins genoemd, zijn gerangschikt op een manier die er precies uitziet als het patroon van waterijs. De unieke structuur van de kleine magneten in spin -ijs stelt hen in staat om te verschijnen als speciale deeltjes die magnetische monopoles worden genoemd.

Een magnetische monopool is een deeltje dat werkt als een magneet, maar met slechts één pool – noord- of zuiden, maar niet beide. Dit object, voorspeld in 1931 door de Nobelprijswinnaar Paul Dirac, bestaat niet in vrije vorm in het universum en toch komt het binnen spin -ijs naar voren als gevolg van de kwantummechanische interacties in het materiaal.

Aan de andere kant van de sandwich wordt de semimetale pyrochlore iridaat ook als exotisch beschouwd omdat het kleine relativistische deeltjes bevat die Weyl -fermionen worden genoemd. Nogmaals, verrassend, hoewel voorspeld door Hermann Weyl in 1929, ontdekten deze exotische deeltjes, in 2015 in kristallen, bewegen als licht en kunnen op verschillende manieren draaien-links of rechtshandig.

Hun elektronische eigenschappen zijn erg sterk en weerstaan ​​bepaalde soorten storingen of onzuiverheden, waardoor ze zeer stabiel zijn wanneer ze worden gebruikt als onderdeel van elektronische apparaten. Als gevolg hiervan kan Pyrochlore Iridate zeer goed elektriciteit uitvoeren, op ongebruikelijke manieren reageren op magnetische velden en speciale effecten vertonen bij blootstelling aan elektromagnetische velden.

Chakhalian zei dat de gecombineerde eigenschappen van het nieuwe gecreëerde materiaal het een veelbelovende kandidaat maken voor gebruik in geavanceerde technologieën, waaronder Quantum Computing en vooral voor de volgende generatie kwantumsensoren.

“Deze studie is een grote stap voorwaarts in materiaalsynthese en kan de manier waarop we kwantumsensoren creëren en de spintronische apparaten creëren, aanzienlijk beïnvloeden,” zei hij.

Quantum Computing maakt gebruik van de principes van de kwantummechanica om informatie te verwerken. Quantumcomputers gebruiken kwantumbits of qubits die tegelijkertijd in meerdere staten bestaan ​​vanwege een kwantumfysisch principe dat superpositie wordt genoemd. Hierdoor kunnen complexe berekeningen veel efficiënter worden uitgevoerd dan door klassieke computers.

De specifieke elektronische en magnetische eigenschappen van het door de onderzoekers ontwikkelde materiaal kunnen helpen bij het creëren van zeer ongebruikelijke en toch stabiele kwantumtoestanden, die essentieel zijn voor kwantum computing.

Wanneer kwantumtechnologie praktisch wordt, zal dit het gewone leven aanzienlijk beïnvloeden door een revolutie teweeg te brengen in drugsontdekking en medisch onderzoek, waardoor de activiteiten, voorspelbaarheid en kostenbesparingen in financiën, logistiek en productie aanzienlijk worden verbeterd. Er wordt ook verwacht dat het een revolutie teweeg zal brengen in algoritmen voor machine learning, waardoor kunstmatige intelligentiesystemen krachtiger worden, zeiden de wetenschappers.