Todimensionelt elektridemateriale gør en lovende superleder – Physics World

Todimensionelt elektridemateriale gør en lovende superleder – Physics World

Tidsstempel: 18. oktober 2023 kl. 7

Diagram af AlH2
I et 2D monolag af aluminiumhydrid (AlH2), er overskydende anioniske elektroner tilvejebragt af aluminium indespærret i mellemrummene i aluminiumsgitteret. Påføring af belastning ændrer denne elektronkonfiguration og hæver den kritiske temperatur for superledning. (Med høflighed: Z Zhao)

En ny teoretisk undersøgelse kaster nyt lys over forholdet mellem superledning og "overskydende" elektroner i materialer kendt som elektrider. Undersøgelsen, på et monolag af aluminiumhydrid, viser, at dette materiale burde være en konventionel superleder med en kritisk overgangstemperatur TC på 38 K – den højeste kendte overgangssuperledende temperatur blandt alle todimensionelle elektrider rapporteret til dato.

Elektroder er en type eksotisk ionisk fast stof, der indeholder flere elektroner end forventet fra klassisk (valensbinding) teori. Disse yderligere elektroner er kendt som interstitielle anioniske elektroner (IAE'er), fordi de ikke er bundet til nogen atomer. I stedet er de fanget i hulrum i materialets krystallinske gitter.

Teori antyder, at manipulation af disse IAE'er kunne tilbyde en ny vej til at modulere et materiales elektroniske egenskaber. En anden, endnu mere fristende mulighed er, at IAE'er kunne interagere stærkere med vibrationer i krystalgitteret (fononer) end "normale" elektroner gør, hvilket ville føre til superledning.

De fleste superledende elektroder, der er undersøgt til dato, har imidlertid været bulk-tredimensionelle materialer, som kun bliver superledende ved meget høje tryk (hundredevis af gigapascal) eller meget lave temperaturer (under 10 K). Dette begrænser deres anvendelser inden for områder som superledende kvanteinterferens og enkeltelektronsuperlederkvanteprik-enheder.

Mere lovende har forskere for nylig opdaget, at todimensionelle (2D) elektrider også kan opføre sig som superledere - og også ved normale tryk. Desværre lider de tidligere undersøgte 2D-elektrider stadig meget lavt Tcs.

Et nyt monolag materiale

I det seneste arbejde, Jijun Zhao og kolleger på Nøglelaboratorium for materialemodifikation ved hjælp af laser-, ion- og elektronstråler ved Dalian University of Technology, Kina studerede et monolag af aluminiumhydrid (AlH2) hvor overskydende anioniske elektroner tilvejebragt af aluminium er indespærret i mellemrummene i aluminiumsgitteret. Dette 2D-materiale er stabilt takket være interaktionerne mellem IAE'erne og gitteret.

Ved hjælp af elektronlokaliseringsfunktionsanalyser fandt forskerne ud af, at aluminium-hydrogenbindingen er ionisk, og at hvert brintatom får omkring 0.9 elektroner fra hvert aluminiumatom, som har en tendens til at miste tre valenselektroner. Men da H- anion kan ikke rumme flere elektroner, eventuelle resterende elektroner leveret af aluminium ender i mellemrummene i gitteret, hvilket resulterer i en nuldimensional elektridetilstand. Yderligere beregninger bekræftede tilstedeværelsen af ​​IAE'erne og denne elektridetilstand.

Højeste Tc for enhver kendt 2D-elektride

Uventet fandt Dalian-teamet også ud af, at de IAE'er, der leveres af aluminium, ikke er ansvarlige for materialets superledningsevne. Dette, siger Zhao, er "et andet innovativt punkt i vores arbejde" og "i modsætning til, hvad der er blevet observeret for de fleste tidligere kendte superledende elektrider". I stedet er det brintatomernes 1s elektroner, der er stærkt koblet med de fononiske vibrationer af aluminium, der gør det muligt for materialet at blive en konventionel (“BCS”) superleder med en Tc på 38 K.

Og det var ikke alt: forskerne fandt også ud af, at anvendelse af en biaksial belastning på 5 % på AlH2 kan øge dette Tc til 53 K. Dette skyldes, at stammen omdanner IAE'erne til omrejsende elektroner, hvilket fremmer dannelsen af ​​de stabile Cooper-elektronpar, der kræves til superledning, siger de.

"Vores teoretiske undersøgelse etablerer et samlet billede af forholdet mellem IAE'er, den dynamiske stabilitet af værtsgitteret og superledningsevne i AlH2 monolag,” fortæller teammedlem Xue Jiang Fysik verden. "Det præsenterer et væsentligt skridt mod den omfattende forståelse af 2D-superledende elektrider, som igen åbner nye veje mod nye klasser af høj-Tc lavdimensionelle superledere."

Dalian University of Technology-teamet fokuserer nu på et bredere udvalg af lavdimensionelle materialer med superledningsevne eller andre eksotiske elektroniske egenskaber.

Arbejdet er detaljeret i Kinesiske fysik bogstaver.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden