Euroopa Teadusnõukogu (ERC) tunnustas Eesti füüsikut Girš Blumbergi 2,5 miljoni euro suuruse uurimistoetusega, mille eesmärgiks on rajada Tallinnas KBFI-s unikaalne labor senini mõistatuslike kvantnähtuste uurimiseks ülijuhtivates materjalides.

Algava projekti pealkiri on „How do chiral superconductors break time-reversal symmetry? – Kerr spectroscopy study“ ja see kestab järgnevad 5 aastat.

Ülijuhid on juba praegu üks võtmetehnoloogia näiteks meditsiinis ja kõrge energia füüsikas. Uuritavad kvantnähtused avavad ukse uutele põnevatele rakendustele kvantarvutite, ülitäpsete aatomkellade ja täppisseadmete loomisel.

Juba ligi sada aastat teame, et väga madalatel temperatuuridel muutuvad mõned materjalid ülijuhtideks. Erinevalt tavalisest elektrijuhtmest, kus alati osa elektrivoolust muundub soojuseks, ülijuhis sellist energiakadu pole. Seetõttu saab ülijuhist ehitada näiteks kadudeta elektriliine, kerida võimsaid magneteid, ehitada suure kasuteguriga elektrigeneraatoreid ja -mootoreid ning väga tundlikke aparaate, näiteks kvantarvuteid. Kahjuks töötavad kõik teadaolevad ülijuhid väga madalatel temperatuuridel, tüüpiliselt temperatuuridel alla -190 0C. Mõistame senini ülijuhtivuse mikroskoopilist olemust üsna halvasti, mis on suureks takistuseks paremate ülijuhtide loomisel. Üks võimalus ülijuhte paremini mõista on uurida nendes esinevaid sümmeetriat rikkuvaid nähtusi, näiteks kas ülijuhtide käitumine sõltub füüsikalise aja suunast. Füüsikud teavad, et ajaline sümmeetria on materjalides seotud nende magnetiliste omadustega. KBFI-sse rajatava katseseadme eesmärk ongi uurida neid ülinõrku ja tundlikke magnetilisi nähtusi ülijuhtides. Et seda saab teha vaid väga madalate temperatuuride juures — mõni sajandik kraadi üle absoluutse nulltemperatuuri — tuleb rajada spetsiaalne külmalabor ja luua mitmeid unikaalseid väga tundlikuks mõõtmiseks vajalikke seadmeid.

Girš Blumberg: “Meil on Tallinnas harukordne võimalus uurida ühte tänapäeva kvantfüüsika olulist probleemi, kus ülijuhis iseeneslikult rikutakse aja suuna sümmeetriat. Praegu annavad erinevad katsed vastuolulisi tulemusi ning puudub ka selge teoreetiline arusaam nendest ülijuhtidest. Meie püüame teooriate ja katsetulemuste segaduses selgust tuua uut tüüpi katsetega, kus registreeritakse peegeldunud soojuskiirguse polarisatsioonitasandi pööret. Kavandatud töö avab ülijuhtivuse uurimiseks uue akna.”

KBFI direktor Urmas Nagel: “ERC teadusgrant on suur tunnustus Girš Blumbergi tööle ülijuhtivuse füüsikas. Kindlasti on uurimisprojekti edus oluline roll KBFI pikaajalisel kogemusel erinevate magnetiliste nähtuste uurimisel. Olen väga põnevil — antud uurimisaparaat saab olema maailma mõttes täiesti unikaalne ja võimaldab meil jätkuvalt olla maailma teaduse eesliinil. Loodan väga, et Girši töö tulemusel tekib meil uusi ideid, mis avavad teaduses ja tehnoloogias selliseid suundi, millest praegu ei oska keegi isegi unistada, näiteks uue põhimõtte kvantarvutite ehitamiseks!”

Girš Blumberg veetis koolipõlve Viljandis, misjärel ta lõpetas Tartu Ülikooli 1981. aastal. Samal aastal asus ta tööle KBFI-sse. Ta kaitses oma doktoritööd aastal 1987. Alates aastast 1992. on ta jaganud oma töötamist Ameerika Ühendriikide ja Eesti vahel. Aastast 2008 on ta Rutgersi Ülikooli professor Ühendriikides.

Kontaktid:
Girš Blumberg, girsh.blumberg@kbfi.ee
Urmas Nagel, urmas.nagel@kbfi.ee, +372 5690 1425

Lisalugemist:
https://erc.europa.eu/news/erc-2019-advanced-grants-results
https://en.wikipedia.org/wiki/Girsh_Blumberg
https://www.etis.ee/CV/Girsh_Blumberg/est
https://en.wikipedia.org/wiki/Superconductivity

The European Research Council (ERC) has awarded a competitive 2.5 Million Euros advanced research grant to the principal investigator Girsh Blumberg and a team of researchers from the National Institute of Chemical Physics and Biophysics in Tallinn, Estonia (NICPB) to develop the instrumentation that would enable a study “How do superconductors break time-reversal symmetry?” The work in Tallinn builds on PI-s expertise in studying strongly correlated electron systems and on the expertise of NICPB in the field of terahertz spectroscopy and low temperature physics.
Superconductors are used to build magnets for MRI machines and quantum computers, but even 109 years after the discovery of superconductivity we understand its microscopic mechanisms only in the simplest cases. This research focuses on studying the basic symmetries of superconductors in order to reveal new properties that could prove useful for building new devices including quantum computers. The symmetries observed in nature give rise to conservation laws and the properties of particles. Among the most important of these symmetries is time-reversal – breaking this symmetry leads to a variety of physical effects in condensed matter physics, especially in superconductors.
Our everyday experience shows that past and future are not symmetric: we cannot predict the future just based on our experience from the past! This is captured by the time-asymmetry of the second law of thermodynamics, which says that the entropy always increases.
In contrast, most laws of physics satisfy time-symmetry: such include Newton’s laws, Einstein’s laws, and the basic laws of quantum mechanics. Time-reversal symmetry implies that the equations of motion do not inherently contain a direction for time. Time-reversal symmetry is the motion-reversed symmetry. However, in a system with a magnetic field, the reversed motion of an electron breaks the Newton’s laws, and thus we call the time-reversal symmetry (motion-reversed symmetry) broken. Therefore, the appearance of spontaneous magnetic field is often taken as a signature of broken time-reversal symmetry.
In the context of condensed matter physics, time-reversal symmetry breaking usually implies something that behaves like a magnetic field. Conventional superconductors (lossless conductors of charge current) are robust diamagnets: materials that expel magnetic fields (through the Meissner effect). It would therefore be highly unexpected if a superconducting material would support spontaneous magnetic fields.
Nevertheless, such spontaneously broken time-reversal symmetry states have been suggested for unconventional superconductors, but their identification remains experimentally controversial. For some unconventional superconductors, when these materials are being cooled into the superconducting state, something like a spontaneous magnetization appears. Particularly interesting are unconventional superconductors for which the superconducting state is protected topologically and vortices of the supercurrent can host unconventional particles (Majorana fermions) with potential use in quantum computing applications. However, in striking contrast to the unconventional A phase of superfluid 3He where broken rotational symmetry was directly observed, identification of broken time-reversal symmetry for the superconductors has presented a challenge. The ‘smoking gun’ experiments which could confirm time-reversal symmetry breaking are experiments which are sensitive to a very tiny magnetization. Such novel probes will be developed at NICPB.

Additional info:
Girš Blumberg, girsh.blumberg@kbfi.ee
Urmas Nagel, urmas.nagel@kbfi.ee, +372 5690 1425