Τα οξείδια του παλλαδίου θα μπορούσαν να κάνουν καλύτερους υπεραγωγούς - Physics World

Οι παλλαδάτες – υλικά οξειδίου που βασίζονται στο στοιχείο παλλάδιο – θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή υπεραγωγών που λειτουργούν σε υψηλότερες θερμοκρασίες από τα χαλκούρια (οξείδια του χαλκού) ή τα νικελικά (οξείδια του νικελίου), σύμφωνα με υπολογισμούς ερευνητών στο Πανεπιστήμιο του Hyogo, Ιαπωνία, TU Wien και Συνάδελφοι. Η νέα μελέτη προσδιορίζει περαιτέρω δύο τέτοιου είδους παλλακίδες ως «σχεδόν βέλτιστες» όσον αφορά τις δύο ιδιότητες σημαντικές για τους υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας: τη δύναμη συσχέτισης και τις χωρικές διακυμάνσεις των ηλεκτρονίων στο υλικό.

Οι υπεραγωγοί είναι υλικά που άγουν τον ηλεκτρισμό χωρίς αντίσταση όταν ψύχονται κάτω από μια ορισμένη θερμοκρασία μετάβασης, T_c. Ο πρώτος υπεραγωγός που ανακαλύφθηκε ήταν ο στερεός υδράργυρος το 1911, αλλά η θερμοκρασία μετάβασής του είναι μόνο μερικούς βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν, πράγμα που σημαίνει ότι απαιτείται ακριβό υγρό ψυκτικό ήλιο για να διατηρηθεί στην υπεραγώγιμη φάση. Αρκετοί άλλοι «συμβατικοί» υπεραγωγοί, όπως είναι γνωστοί, ανακαλύφθηκαν λίγο αργότερα, αλλά όλοι έχουν εξίσου χαμηλές τιμές T_c.

Ωστόσο, ξεκινώντας από τα τέλη της δεκαετίας του 1980, μια νέα κατηγορία υπεραγωγών «υψηλής θερμοκρασίας» με T_c πάνω από το σημείο βρασμού του υγρού αζώτου (77 K) προέκυψε. Αυτοί οι «μη συμβατικοί» υπεραγωγοί δεν είναι μέταλλα, αλλά μονωτές που περιέχουν οξείδια χαλκού (cuprates) και η ύπαρξή τους υποδηλώνει ότι η υπεραγωγιμότητα μπορεί να παραμείνει σε ακόμη υψηλότερες θερμοκρασίες. Πρόσφατα, οι ερευνητές εντόπισαν υλικά που βασίζονται στα οξείδια του νικελίου ως καλούς υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας στο ίδιο πνεύμα με τα ξαδέρφια τους από χαλκό.

Ένας κύριος στόχος αυτής της έρευνας είναι να βρεθούν υλικά που παραμένουν υπεραγώγιμα ακόμη και σε θερμοκρασίες δωματίου. Τέτοια υλικά θα βελτιώσουν σημαντικά την απόδοση των ηλεκτρικών γεννητριών και των γραμμών μετάδοσης, ενώ θα καθιστούσαν επίσης τις κοινές εφαρμογές της υπεραγωγιμότητας (συμπεριλαμβανομένων των υπεραγώγιμων μαγνητών σε επιταχυντές σωματιδίων και ιατρικές συσκευές όπως σαρωτές MRI) απλούστερες και φθηνότερες.

Ένα θεμελιώδες άλυτο πρόβλημα

Η κλασική θεωρία της υπεραγωγιμότητας (γνωστή ως θεωρία BCS μετά τα αρχικά των ανακαλυφτών της, Bardeen, Cooper και Schrieffer) εξηγεί γιατί ο υδράργυρος και τα περισσότερα μεταλλικά στοιχεία υπεραγωγούνται κάτω από T_c: Τα φερμιονικά ηλεκτρόνια τους ζευγαρώνουν για να δημιουργήσουν μποζόνια που ονομάζονται ζεύγη Cooper. Αυτά τα μποζόνια σχηματίζουν ένα συμπύκνωμα με συνοχή φάσης που μπορεί να ρέει μέσα από το υλικό ως υπερρέμα που δεν υφίσταται σκέδαση και ως αποτέλεσμα εμφανίζεται υπεραγωγιμότητα. Η θεωρία υστερεί, ωστόσο, όταν πρόκειται να εξηγήσει τους μηχανισμούς πίσω από τους υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας. Πράγματι, η μη συμβατική υπεραγωγιμότητα είναι ένα θεμελιώδες άλυτο πρόβλημα στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης.

Για να κατανοήσουν καλύτερα αυτά τα υλικά, οι ερευνητές πρέπει να γνωρίζουν πώς συσχετίζονται τα ηλεκτρόνια αυτών των μετάλλων 3d μετάπτωσης και πόσο ισχυρά αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Οι επιδράσεις των χωρικών διακυμάνσεων (οι οποίες ενισχύονται από το γεγονός ότι αυτά τα οξείδια κατασκευάζονται συνήθως ως υλικά δισδιάστατων ή λεπτής μεμβράνης) είναι επίσης σημαντικά. Ενώ τεχνικές όπως οι διαγραμματικές διαταραχές Feynman μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την περιγραφή τέτοιων διακυμάνσεων, υπολείπονται όταν πρόκειται για τη σύλληψη επιδράσεων συσχέτισης όπως η μετάβαση μετάλλου-μονωτή (Mott), που είναι ένας από τους ακρογωνιαίους λίθους της υπεραγωγιμότητας υψηλής θερμοκρασίας.

Αυτό είναι όπου ένα μοντέλο που είναι γνωστό ως δυναμική θεωρία μέσου πεδίου (DMFT) εμφανίζεται μόνο του. Στη νέα εργασία, οι ερευνητές με επικεφαλής TU Βιέννη φυσικός στερεάς κατάστασης Karsten Held χρησιμοποίησε τις λεγόμενες διαγραμματικές επεκτάσεις στο DMFT για να μελετήσει την υπεραγώγιμη συμπεριφορά πολλών ενώσεων παλλαδάτη.

Οι υπεραγωγοί Cuprate περιέχουν ένα περίεργο συστατικό

Οι υπολογισμοί, οι οποίοι αναφέρονται αναλυτικά στο Επιστολές Φυσικής Επισκόπησης, αποκαλύπτουν ότι η αλληλεπίδραση μεταξύ των ηλεκτρονίων πρέπει να είναι ισχυρή, αλλά όχι πολύ ισχυρή, για να επιτευχθούν υψηλές θερμοκρασίες μετάπτωσης. Ούτε τα χαλικά ούτε τα νικελικά είναι κοντά σε αυτή τη βέλτιστη, μεσαίου τύπου αλληλεπίδραση, αλλά τα παλλακικά είναι. «Το παλλάδιο βρίσκεται ακριβώς μία γραμμή κάτω από το νικέλιο στον περιοδικό πίνακα», παρατηρεί ο Held. «Οι ιδιότητες είναι παρόμοιες, αλλά τα ηλεκτρόνια εκεί βρίσκονται κατά μέσο όρο λίγο πιο μακριά από τον ατομικό πυρήνα και το ένα από το άλλο, επομένως η ηλεκτρονική αλληλεπίδραση είναι πιο αδύναμη».

Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι ενώ ορισμένα παλλακίδια, κυρίως το RbSr₂PdO₃ και ένα'₂PdO₂Cl₂ (Α'=Βα_0.5La_0.5), είναι «σχεδόν βέλτιστες», άλλα, όπως το NdPdO₂, συσχετίζονται πολύ αδύναμα. "Η θεωρητική μας περιγραφή της υπεραγωγιμότητας έχει φτάσει σε ένα νέο επίπεδο." Μοτοχάρου Κιτατάνι του Πανεπιστήμιο του Χιόγκο λέει Κόσμος Φυσικής. «Είμαστε βέβαιοι ότι οι πειραματικοί συνάδελφοί μας θα προσπαθήσουν τώρα να συνθέσουν αυτά τα υλικά».

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• Minting the Future με την Adryenn Ashley. Πρόσβαση εδώ.
• Αγορά και πώληση μετοχών σε εταιρείες PRE-IPO με το PREIPO®. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/palladium-oxides-could-make-better-superconductors/