Открытие экспериментально соединяет миры классической и квантовой механики и освещает таинственную природу перехода Мотта. Это также могло пролить свет на неравновесную физику, которая плохо понята, но управляет большей частью того, что происходит в нашем мире.
Открытие может также представлять шаг к более эффективной электронике на основе перехода Мотта.Так как его начало было положено в начале 20-го века, ученые пытались урегулировать квантовую механику с правилами классической или ньютоновой физики (как то, как Вы описываете путь яблока, брошенного в воздух – или исключенный из дерева). Физики добились успехов в соединении двух подходов, но эксперименты, которые соединяют эти два, все еще немногочисленны; явления физики обычно классифицируются или как квант или как классические, но не оба.
Одна система, которая объединяет эти два, найдена в сверхпроводниках, определенные материалы, которые проводят электричество отлично, когда охлаждено к очень низким температурам. Магнитные поля проникают через материал сверхпроводимости в форме крошечных нитей, названных вихрями, которые управляют электронными и магнитными свойствами материалов.Эти вихри показывают и классические свойства и квантовые свойства, которые принудили исследователей изучать их для доступа к одному из самых загадочных явлений современной физики конденсированного вещества: переход изолятора к металлу Мотта.Переход Мотта происходит в определенных материалах, которые согласно квантовой механике учебника должны быть металлами, но в действительности повернуть изоляторы.
Сложное явление, которым управляют взаимодействия многих квантовых частиц, переход Мотта остается таинственным – даже, является ли это классическим явлением, или квантовое явление не совсем ясно. Кроме того, ученые непосредственно никогда не наблюдали динамический переход Мотта, в котором переход фазы от изолирования до металлического государства вызван, ведя электрический ток через систему; беспорядок, врожденный от реальных систем, маскирует недвижимость Мотта.В Университете Твенте исследователи построили систему, содержащую наноизмеренные острова ниобия 90 000 сверхпроводимости сверху золотого фильма.
В этой конфигурации вихри считают энергично самым легким приспособиться к энергетическим впадинам в договоренности как ящик яйца – и сделать материальный акт как изолятор Мотта, так как вихри не переместятся, если прикладной электрический ток будет маленьким.Когда они применили достаточно большой электрический ток, однако, ученые видели динамический переход Мотта, поскольку система щелкнула, чтобы стать металлом проведения; свойства материала изменились, поскольку ток выдвинул его из равновесия.
Система вихря вела себя точно как электронный переход Мотта, который стимулирует температура, сказал Вэлерий Винокур, Аргонн Выдающийся Товарищ и соответствующий автор на исследовании. Он и соавтор исследования Татьяна Батурина, затем в Аргонне, проанализировали данные и признали поведение Мотта.
«Это экспериментально осуществляет корреспонденцию между квантом и классической физикой», сказал Винокур.«Мы можем управляемо вызвать переход фазы между государством запертых вихрей к странствующим вихрям, применив электрический ток к системе», сказал Ханс Хилдженкамп, глава Университета исследовательской группы Твенте. «Изучение этих переходов фазы в наших искусственных системах интересно самостоятельно, но может также обеспечить дальнейшее понимание в электронных переходах в реальных материалах».Система могла далее предоставить ученым понимание двух категорий физики, которые было трудно понять: системы много-тела и системы из равновесия.«Это – классическая система то, что легко экспериментировать с и обеспечивает то, что похоже на доступ к очень сложным системам много-тела», сказал Винокур. «Это немного походит на волшебство».
Поскольку имя подразумевает, проблемы со много-телом включают большое количество взаимодействия частиц; с текущей теорией их очень трудно смоделировать или понять.«Кроме того, эта система будет ключевой для создания общего понимания физики из равновесия, которая была бы главным прорывом в физике», сказал Винокур.Министерство энергетики назвало пять больших основных энергий научными проблемами нашего времени; один из них понимает и управляет явлениями из равновесия.
Системы равновесия – где нет никакой перемещающейся энергии – теперь поняты вполне хорошо. Но почти все в наших жизнях включает энергетический поток от фотосинтеза до вываривания к тропическим циклонам, и у нас еще нет физики, чтобы описать его хорошо. Ученые думают, что лучшее понимание могло привести к огромным улучшениям энергетического захвата, батарей и аккумулирования энергии, электроники и больше.Поскольку мы стремимся сделать электронику быстрее и меньшей, системы Мотта также предлагают возможную альтернативу кремниевому транзистору.
Так как ими можно щелкнуть между проведением и изолированием с небольшими изменениями в напряжении, они могут быть в состоянии закодировать 1 с и 0s в меньших масштабах и более высокой точности, чем кремниевые транзисторы.’Первоначально, мы изучали структуры по совершенно другим причинам, а именно, чтобы исследовать эффекты неоднородности на сверхпроводимости», сказал Хилдженкамп. «После обсуждения с Valerii Vinokur в Аргонне мы изучили более определенно наши данные и были вполне поражены видеть, что это показало так приятно детали перехода между государством запертых и движущихся вихрей.
Есть много идей для, развивают исследования, и мы с нетерпением ждем нашего длительного сотрудничества».