“Penemuan Perunggu Ungu” mengungkap “kunci sempurna” menuju teknologi masa depan

Ilmuwan kuantum telah menemukan fenomena pada perunggu ungu yang bisa menjadi kunci untuk mengembangkan “saklar sempurna” pada perangkat kuantum yang beralih antara isolator dan superkonduktor.

Penelitian yang dilakukan oleh University of Bristol dan dipublikasikan di SainsKedua keadaan elektronik yang berlawanan ini ditemukan dalam perunggu ungu, logam satu dimensi unik yang terdiri dari rantai atom penghantar individu.

Misalnya, perubahan kecil pada suatu material, yang dipicu oleh stimulus kecil seperti panas atau cahaya, dapat memicu transisi seketika dari keadaan isolasi dengan konduktivitas nol ke superkonduktor dengan konduktivitas tak terbatas, dan sebaliknya. Keragaman polarisasi ini, yang dikenal sebagai “simetri yang muncul”, berpotensi memberikan saklar hidup/mati yang sempurna dalam perkembangan teknologi kuantum di masa depan.

Gambar tersebut menunjukkan representasi simetri yang muncul, menunjukkan setetes air simetris sempurna yang muncul dari lapisan es. Sebaliknya, kristal es di salju memiliki bentuk yang kompleks sehingga kurang simetris dibandingkan setetes air. Warna ungu menunjukkan material ungu-perunggu tempat ditemukannya fenomena ini. Kredit: Universitas Bristol

Perjalanan 13 tahun

Penulis utama Nigel Hussey, profesor fisika di Universitas Universitas Bristol“Ini adalah penemuan yang sangat menarik yang dapat memberikan kunci sempurna untuk perangkat kuantum masa depan,” katanya.

“Perjalanan menakjubkan ini dimulai 13 tahun lalu di laboratorium saya ketika dua mahasiswa PhD, Xiaofeng Xu dan Nick Wickham, mengukur magnetoresistensi – perubahan resistensi yang disebabkan oleh medan magnet – perunggu ungu.”

Dengan tidak adanya medan magnet, hambatan perunggu ungu sangat bergantung pada arah masuknya arus listrik. Ketergantungan pada suhu juga rumit. Pada suhu kamar, resistivitasnya bersifat logam, tetapi seiring dengan penurunan suhu, resistivitasnya berbalik dan material tersebut tampak berubah menjadi isolator. Kemudian, pada suhu terendah, resistansinya berkurang lagi saat berubah menjadi superkonduktor. Terlepas dari kerumitan ini, ketahanan magnet ternyata sangat sederhana. Pada dasarnya sama terlepas dari arah penyelarasan arus atau medan dan mengikuti ketergantungan suhu linier sempurna mulai dari suhu kamar hingga suhu transisi superkonduktor.

“Tidak ada penjelasan koheren yang dapat ditemukan atas perilaku membingungkan ini, dan datanya tetap tidak aktif dan tidak dipublikasikan selama tujuh tahun berikutnya. Kesenjangan seperti ini tidak biasa dalam penelitian kuantum, meskipun alasannya bukan karena kurangnya statistik,” Profesor Hussey menjelaskan.

“Kesederhanaan dalam respons magnetis selalu mengingkari asal usul yang kompleks, dan ternyata, solusi potensial hanya akan muncul melalui pertemuan yang tidak disengaja.”

Pertemuan yang tidak disengaja akan menghasilkan terobosan

Pada tahun 2017, Profesor Hussey bekerja di Universitas Radboud dan melihat iklan seminar oleh fisikawan Dr. Piotr Chudzinski tentang topik perunggu ungu. Pada saat itu, hanya sedikit peneliti yang mencurahkan seluruh simposium untuk membahas zat yang tidak diketahui ini, sehingga minatnya terguncang.

Profesor Hussey berkata: “Pada simposium tersebut, Chudzinski menyatakan bahwa resistansi yang tinggi mungkin disebabkan oleh interferensi antara elektron konduksi dan partikel komposit yang sulit dipahami yang dikenal sebagai ‘eksiton gelap’. Kami mengobrol setelah simposium dan bersama-sama mengusulkan eksperimen untuk menguji teorinya. Kami mengobrol setelah simposium dan bersama-sama mengusulkan eksperimen untuk menguji teori kami. pengukuran selanjutnya pada dasarnya menegaskan hal ini.”

Berkat keberhasilan ini, Profesor Hussey menghidupkan kembali data magnetoresistansi Shaw dan Wakeham dan menyajikannya kepada Dr. Chudzinski. Dua fitur utama data – linearitas dengan suhu dan independensi dari arah dan medan arus – membuat Chudzinski penasaran, begitu pula fakta bahwa material yang sama dapat menunjukkan perilaku isolasi dan superkonduktor bergantung pada bagaimana material tersebut tumbuh.

Dr. Chudzinski bertanya-tanya apakah interaksi antara pembawa muatan dan eksiton yang dia sampaikan sebelumnya, alih-alih mengkonversi seluruhnya menjadi isolasi, dapat menyebabkan yang pertama tertarik ke arah batas antara keadaan isolasi dan superkonduktor seiring dengan menurunnya suhu. Pada batas yang sama, probabilitas suatu sistem menjadi isolator atau superkonduktor pada dasarnya sama.

Profesor Hussey berkata: “Simetri fisik seperti itu adalah keadaan yang tidak biasa, dan mengembangkan simetri seperti itu pada logam seiring dengan menurunnya suhu, oleh karena itu istilah ‘simetri yang muncul’, merupakan yang pertama di dunia.”

Fisikawan sangat familiar dengan fenomena pemutusan simetri: penurunan simetri sistem elektron saat pendinginan. Susunan kompleks molekul air dalam kristal es adalah contoh rusaknya simetri ini. Namun sebaliknya adalah peristiwa yang sangat langka, bahkan unik. Kembali ke analogi air/es, seolah-olah setelah es didinginkan lebih lanjut, kompleksitas kristal es tersebut “meleleh” kembali menjadi sesuatu yang konsisten dan halus seperti setetes air.

Simetri yang muncul: fenomena langka

Dr Chudzinski, yang sekarang menjadi peneliti di Queen’s University Belfast, mengatakan: “Bayangkan sebuah trik sulap di mana bentuk yang kusam dan terdistorsi diubah menjadi bola yang indah dan simetris sempurna. Singkatnya, inilah inti dari munculnya simetri. Orang di dalam yang jadi pertanyaan adalah material kita, perunggu ungu, sedangkan pesulap kita adalah alam itu sendiri.” .

Untuk menguji lebih lanjut apakah teori tersebut mengandung air, tambahan 100 kristal individu, beberapa bersifat isolasi dan lainnya superkonduktor, diperiksa oleh mahasiswa PhD lainnya, Martin Berbin, yang bekerja di Universitas Radboud.

Profesor Hussey menambahkan: “Setelah upaya besar Martin, ceritanya selesai dan alasan mengapa kristal yang berbeda tampak memiliki keadaan dasar yang sangat berbeda menjadi jelas. Melihat ke masa depan, ‘kebaruan’ ini mungkin dapat dieksploitasi untuk menciptakan saklar di sirkuit kuantum di mana rangsangan kecil memicu perubahan resistensi switching yang dalam dan berkekuatan besar.

Referensi: “Munculnya simetri dalam superkonduktor berdimensi rendah di tepi Mottness” oleh P. Chudzinski, M. Berben, Xiaofeng Xu, N. Wakeham, B. Bernáth, C. Duffy, R. D. H. Hinlopen, Yu-Te Hsu, S. Weidman, B. Tinnemans, Rongying Jin, M. Greenblatt, NE Hussey, 16 November 2023, Sains.
doi: 10.1126/science.abp8948