مغناطیس سیار و ابررسانایی در فلزات عجیب و غریب 2 بعدی برای دستگاه های کوانتومی نسل بعدی

اخبار – The شتاب دهنده سیستم های کوانتومی (QSA) تحقیقات پیشگام برای ساخت و طراحی مشترک نسل بعدی دستگاه های کوانتومی قابل برنامه ریزی. یک تیم بین رشته ای از دانشمندان موسسات QSA، آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (آزمایشگاه برکلی) و دانشگاه کالیفرنیا، برکلی (UC Berkeley)، با همکاری آزمایشگاه ملی لوس آلاموس، مجموعه ای از آزمایش ها را با نوع جدیدی از لایه ها انجام دادند. پیوندهای دو بعدی برای یافتن فلزات در رفتار الکترونیک، که به طور بالقوه می تواند برای ساخت پردازنده های کوانتومی ابررسانا پیچیده مفید باشد. تحقیقات با این دی‌کالکوژنید فلز واسطه جدید (TMD) از تیم‌های متخصص در آزمایشگاه برکلی استفاده می‌کند که با همکاری و طراحی مشترک در زمینه‌ها و در عین حال از قابلیت‌ها و ابزارهای ملی پیشرفته استفاده می‌کنند. منبع نور پیشرفته و ریخته گری مولکولی. معاینه فیزیکی B نتایج آزمایشی را در دسامبر 2022 منتشر کرد.

آزمایش‌های جدید برای درک عمیق‌تر فیزیک مواد جدید

جستجو برای مواد دوبعدی ابررسانای جدید ممکن است سرنخ‌هایی برای بسیاری از چالش‌های تولید و مواد پردازنده‌های کوانتومی ابررسانا که در حال حاضر از مواد معمولی مانند آلومینیوم، نیوبیم و سیلیکون استفاده می‌کنند، ارائه دهد. TMD ها فلزات عجیب و غریبی هستند که به طور طبیعی می توانند در لایه های بسیار نازک با ساختار کریستالی کاملاً مشخص تولید شوند که به طور ایده آل برای آزمایش ها و دستگاه ها مناسب هستند. آنها خواص فیزیکی منحصر به فردی را از برهمکنش الکترون های خود نشان می دهند. الکترون‌ها را می‌توان در چندین اتم که برهمکنش قوی‌تری با یکدیگر دارند، موضع‌گیری کرد. الکترون های بسته بندی شده و محکم در حال برهم کنش می توانند خواص و رفتارهای منحصر به فردی مانند ابررسانایی و مغناطیس مسافرتی ابررسانایی اجازه می دهد تا بار الکتریکی از طریق فلز با مقاومت کم یا بدون مقاومت حرکت کند. مغناطیس سیار زمانی اتفاق می افتد که الکترون ها مغناطیس را از یک اتم به اتم دیگر منتقل کنند نه اینکه در یک موقعیت ثابت قرار گیرند.

یک کشف مهم در ادبیات علمی این است که مواد معمولاً یا ابررسانا یا آهنربا هستند، اما نه هر دو. با این حال، فاز مغناطیس گردشگر نزدیک به ابررسانایی انتقال بنابراین، کشف خواص مغناطیسی قوی در ساختار کریستالی TMD یک نقطه شروع عالی برای جستجوی ابررساناهای جدید است. اما میزان اثر متقابل مغناطیس سیار و ابررسانایی موجود در TMD ها به خوبی درک نشده است.

NiTa4Se8 یک کلاس نوظهور از TMD های میانی با الکترون های بسیار همبسته است که در صفحات دو بعدی با یک لایه فرومغناطیسی (نیکل) حرکت می کنند و برهمکنش یا همبستگی بین الکترون ها را قوی تر می کند. محققان QSA که در این سری آزمایش‌ها شرکت داشتند، ویژگی‌های رسانش الکترون-خواص انتقال- را در NiTa4Se8 مشخص کردند و هم مغناطیس گردشگر و هم مغناطیس گردشگر را مشاهده کردند. ابررسانایی.

“من بسیار الهام‌بخش می‌بینم که قوانین فیزیکی اغلب با درک تقارن‌ها مرتبط هستند، بنابراین وقتی مواد جدیدی را مطالعه می‌کنم که تقارن‌های درونی منحصربه‌فردی دارند، خواه پیکربندی اتم‌های مختلف یا محیط محلی یا جهانی آنها باشد، می‌دانم که منجر به جیمز آنالیتیس، دانشیار دانشگاه کالیفرنیا برکلی و دانشمند دانشکده آزمایشگاه برکلی، که سرپرست آزمایشی این مقاله است، می‌گوید.

برای مطالعه خواص ابررسانایی و مغناطیس مسافرتی، محققان نیاز به درک تقارن درونی این ماده داشتند. آنالیتیس و تیم، پیکربندی‌های مختلف تقارن را در NiTa4Se8 سنتز کردند و سیستم اتم‌ها و الکترون‌ها را در فلز کریستالی لایه‌ای از طریق درمان‌ها و تکنیک‌های شیمیایی مختلف دستکاری کردند. مجموعه آزمایش‌ها به محققان این امکان را داد تا با چیدمان، دستکاری و کنترل الکترون‌ها در آزمایشگاه، نحوه رفتار الکترون‌های NiTa4Se8 را مطالعه کنند.

ابزار دقیق و تخصص در تاسیسات ملی DOE در آزمایشگاه برکلی

برای گروه علوم مواد و ریخته گری مولکولی سیناد گریفینیکی از نویسندگان مقاله و رئیس گروه موضوعی تحقیقات مواد QSA، کشف ابررساناهای جدید اولویت اصلی برای نسل بعدی فناوری‌های کوانتومی ابررسانا است. گریفین مدل‌های نظری و محاسباتی را توسعه می‌دهد که خواص مواد را برای هدایت ساخت و تعیین خصوصیات در آزمایشگاه پیش‌بینی می‌کند.

“من انگیزه دارم نوع جدیدی از فیزیک یا سیستمی را پیدا کنم که هیچ کس قبلاً ندیده باشد، بنابراین داشتن این زمین بازی از امکانات و ابزار در آزمایشگاه برکلی در حالی که نزدیک به تیمی که آزمایش‌ها و اندازه‌گیری‌ها را انجام می‌دهند، کلیدی است. ” ما محدود به آنچه در دسترس است نیستیم. گریفین گفت: ما محدودتر از تصوراتمان هستیم.

این تیم از قابلیت‌های پیشرفته طیف‌سنجی فوتوالکترون آزمایشگاه برکلی در ALS بهره بردند، که از فوتون‌ها برای برهمکنش با الکترون‌ها برای توصیف سریع‌تر مواد و سطوح دو بعدی، از جمله طیف‌سنجی انتشار نوری با تفکیک زاویه‌ای (ARPES) و طیف‌سنجی پرتو ایکس پراکنده انرژی (EDS) استفاده می‌کند. EDX)، و همچنین پراش پودر اشعه ایکس برای شبیه سازی، توصیف و مطالعه ساختار بلوری پیچیده NiTa4Se8 در بهترین مقیاس ها.

الی روتنبرگ، محقق ALS و محقق QSA، مجذوب مواد کوانتومی با خواص فیزیکی عجیب و غریب ناشی از برهمکنش الکترون‌های آنها شده است. روتنبرگ، متخصص در طیف‌سنجی فوتوالکترون، اندازه‌گیری‌های دقیقی از رفتار الکترون و سطح به اصطلاح فرمی انجام داد که سطح انرژی مهمی در فیزیک ماده متراکم است. ابررسانایی با دقت فوق العاده

کریستال‌ها مانند یک لیوان آب هستند، تا نقطه‌ای پر و در بالای نقطه‌ای خالی هستند که الکترون‌های نزدیک سطح در رسانش الکتریکی شرکت می‌کنند. فیزیک جالب این مواد کریستالی در مرز بین حالت های اشغال شده و غیر اشغالی قرار دارد. روتنبرگ توضیح داد که ذرات می توانند از سمت اشغال شده به سمت غیر اشغال شده برانگیخته شوند تا امواج در حال حرکتی را تشکیل دهند که اطلاعات انرژی را منتقل می کنند.

طراحی مشترک اکتشافات اساسی را سرعت می بخشد

پیچیدگی مواد جدید مورد مطالعه برای ساخت دستگاه‌های کوانتومی بهتر و انواع اندازه‌گیری‌ها برای درک آن‌ها به ابزارها و ابزارهای پیشرفته نیاز دارد، جایی که هر تکنیک مختص سیستم است. هنگامی که مواد در دستگاه های کوانتومی ادغام می شوند، خواص مواد اغلب تغییر می کند یا نقص ظاهر می شود.

وقتی می‌پرسید چگونه می‌توانم این نوع جدیدی از پدیده‌ها را که هیچ کس دیگری پیدا نکرده است، یا این نتیجه را در این سیستم یا مواد پیدا کنم، تقریباً سؤال مخالفی می‌پرسید. گریفین گفت: با استفاده از این تئوری، می توانم سعی کنم ماده ای را از اجزای اصلی اصلی طراحی کنم.

NiTa4Se8 احتمالاً در بین TMD های مغناطیسی منحصر به فرد نیست. بنابراین، تیم به این نتیجه رسیدند که جستجو برای مغناطیس مسافرتی مرتبط و غیر متعارف است ابررسانایی در مواد دو بعدی می تواند درک موادی را که به طور بالقوه می توانند برای ساخت پردازنده های کوانتومی پیچیده تر مورد استفاده قرار گیرند، اصلاح کند. با این حال، محققان باید به درک بهتر سطوح اساسی این نوع مواد دو بعدی ادامه دهند. QSA همچنان به کشف راه‌حل‌هایی برای بسیاری از چالش‌های تولیدی ادامه می‌دهد که به پل زدن سیستم‌های سخت‌افزاری ناقص امروزی با آن‌هایی که قادر به علم تاثیرگذار هستند کمک می‌کند.

“داشتن یک تیم با چشم انداز منحصر به فرد، مانند QSA، که تمام ابزارهای موجود را در اختیار داشته باشد، روند را از علوم پایه به فناوری تسریع می کند.” شما اغلب باید کشف کنید که کدام تکنیک یا قابلیت های سنتز برای مواد مختلف مناسب تر است.”

###

آزمایشگاه ملی لارنس برکلی و دانشمندان آن در سال 1931 با این باور که بزرگترین چالش های علمی به بهترین شکل توسط تیم ها حل می شود، تأسیس شد و برنده 16 جایزه نوبل شده است. امروزه، محققان آزمایشگاه برکلی انرژی پایدار و راه‌حل‌های زیست‌محیطی را توسعه می‌دهند، مواد مفید جدید ایجاد می‌کنند، مرزهای محاسبات را پشت سر می‌گذارند و اسرار حیات، ماده و جهان را کشف می‌کنند. دانشمندان از سراسر جهان برای اکتشافات علمی خود به امکانات آزمایشگاه متکی هستند. آزمایشگاه برکلی یک آزمایشگاه ملی چند برنامه ای است که توسط دانشگاه کالیفرنیا برای دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده اداره می شود. دفتر علوم DOE بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید به Energy.gov/science.

آزمایشگاه‌های ملی ساندیا یک آزمایشگاه چند مأموریتی است که توسط شرکت فناوری ملی و راه‌حل‌های مهندسی Sandia LLC، یکی از شرکت‌های تابعه شرکت بین‌المللی هانی‌ول، برای اداره امنیت ملی هسته‌ای وزارت انرژی ایالات متحده اداره می‌شود. آزمایشگاه های Sandia دارای مسئولیت های عمده تحقیق و توسعه در بازدارندگی هسته ای، امنیت جهانی، دفاع، فن آوری انرژی و رقابت اقتصادی است، با تاسیسات اولیه در آلبوکرکی، نیومکزیکو، و لیورمور، کالیفرنیا.

شتاب دهنده سیستم های کوانتومی (QSA) یکی از پنج مرکز ملی تحقیقات اطلاعات کوانتومی است که توسط وزارت انرژی ایالات متحده تامین مالی می شود. به رهبری آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (آزمایشگاه برکلی) و با آزمایشگاه ملی ساندیا به عنوان شریک اصلی، QSA رهبری ملی در علم اطلاعات کوانتومی را برای طراحی مشترک الگوریتم‌ها، دستگاه‌های کوانتومی و راه‌حل‌های مهندسی مورد نیاز برای ارائه یک لبه کوانتومی تایید شده در علم تسریع خواهد کرد. برنامه های کاربردی. QSA ده‌ها دانشمند را گرد هم می‌آورد که در بسیاری از مهندسی کوانتومی و قابلیت‌های ساخت منحصر به فرد امروزی پیشگام هستند. علاوه بر شرکای صنعتی و دانشگاهی در سراسر جهان، 15 موسسه بخشی از QSA هستند: آزمایشگاه ملی لارنس برکلی، آزمایشگاه ملی ساندیا، دانشگاه کلرادو در بولدر، آزمایشگاه MIT لینکلن، کلتک، دانشگاه دوک، دانشگاه هاروارد، موسسه فناوری ماساچوست، دانشگاه تافتس. ، دانشگاه کالیفرنیا برکلی، دانشگاه مریلند، دانشگاه نیومکزیکو، دانشگاه کالیفرنیای جنوبی، UT آستین و دانشگاه شربروک کانادا. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید به https://quantumsystemsaccelerator.org/