Scandium purustas elementaarsete ülijuhtide temperatuurirekordi – Physics World

Scandium purustas elementaarsete ülijuhtide temperatuurirekordi – Physics World

Ajatempel: 7. detsember 2023 kell 6:27

Skandiumi üleminekutemperatuuri faasidiagramm rõhu funktsioonina
Skandium on ainus teadaolev elementaarne ülijuht, mille kriitiline temperatuur jääb vahemikku 30 K. See faasidiagramm näitab ülijuhtiva ülemineku temperatuuri (Tc) ja skandiumi kristallstruktuur versus rõhk. Kõigi viie uuritud proovi mõõdetud tulemused näitavad ühtseid suundumusi. (Viisakus: Hiina Phys. Lett. 40 107403)

Skandium jääb ülijuhiks temperatuuril üle 30 K, mistõttu on see esimene element, mis teadaolevalt nii kõrgel temperatuuril ülijuhtib. Rekordilise avastuse tegid Hiina, Jaapani ja Kanada teadlased, kes allutasid elemendi rõhule kuni 283 GPa, mis on umbes 2.3 miljonit korda suurem kui merepinna õhurõhk.

Paljud materjalid muutuvad ülijuhtideks – see tähendab, et nad juhivad elektrit ilma takistuseta – kui jahutatakse madalale temperatuurile. Näiteks esimene ülijuht, mis avastati 1911. aastal, oli tahke elavhõbe ja selle üleminekutemperatuur Tc  on vaid paar kraadi üle absoluutse nulli. Varsti pärast seda avastati mitu teist ülijuhti, mille väärtused olid sarnased Tc.

1950. aastate lõpus selgitas Bardeen-Cooper-Schriefferi (BCS) teooria seda ülijuhtivat üleminekut punktina, kus elektronid ületavad oma vastastikust elektrilist tõrjumist, moodustades nn Cooperi paare, mis seejärel liiguvad takistamatult läbi materjali. Kuid alates 1980. aastate lõpust tekkis uus kõrge temperatuuriga ülijuhtide klass, mida ei saanud BCS-i teooria abil seletada. Nendel materjalidel on Tc üle vedela lämmastiku keemistemperatuuri (77 K) ja need ei ole metallid. Selle asemel on need isolaatorid, mis sisaldavad vaskoksiide (kupraate) ja nende olemasolu viitas sellele, et ülijuhtivus võib olla võimalik saavutada veelgi kõrgematel temperatuuridel.

Sellest ajast peale on otsitud toatemperatuuril ülijuhte, kuna sellised materjalid parandaksid oluliselt elektrigeneraatorite ja ülekandeliinide efektiivsust, muutes samas ka ülijuhtivuse levinumad rakendused (sealhulgas ülijuhtivad magnetid osakeste kiirendites ja meditsiiniseadmetes, nagu MRI skannerid) lihtsamaks. ja odavam.

Lihtne platvorm ülijuhtivuse uurimiseks

Elementaarsed ülijuhid on selle otsingu käigus pälvinud märkimisväärset tähelepanu, kuna need pakuvad ülijuhtivuse uurimiseks nii lihtsaid platvorme. Umbes 20 elementi on teadaolevalt ümbritseva rõhu juures ülijuhid. Neist nioobiumil on kõrgeim Tc, umbes 9.2 K juures. Veel 30 elementi muutuvad kõrgel rõhul ülijuhtivaks, kuid eelmine rekord Tc selles rühmas oli elemendi titaan puhul vaid 26 K.

Varasemas töös teatasid teadlased, et skandium (Sc) läbib neli struktuurifaasi üleminekut rõhul umbes 23, 104, 140 ja 240 GPa, tekitades vastavalt Sc II, Sc III, Sc IV ja Sc V. Samuti oli teada, et skandium muutus ülijuhtivaks 21 GPa juures a Tc umbes 0.35 K ja varasemad katsed olid seda edasi lükanud Tc koguni 19.6 K 107 GPa juures, Sc II ja Sc III faasi vahelise faasipiiri lähedal.

Uues töös, mida juhtiv teadlane Changqing Jin kirjeldab titaani ülijuhtivust temperatuuril 26 K "jätkena meie eelmisele avastusele". Hiina Teaduste Akadeemia füüsikainstituut (IOPCAS) ja Hiina Teaduste Akadeemia ülikooli füüsikakool (UCAS) suurendasid skandiumile avaldatavat survet 238 GPa-ni. Seda tehes avastasid nad a Tc üle 30 K elemendi V-faasis. Tulemus tähendab, et skandium on ainus teadaolev elementaarne ülijuht, millel on a Tc vahemikus 30 K ja töörühm arvab, et see väärtus võib edasise tihendamise korral veelgi suuremaks minna.

Eraldi uuringus tegi teadlaste meeskond eesotsas Chen Xianhui alates Hiina teaduse ja tehnoloogia ülikool (USTC) Hiina Teaduste Akadeemia (CAS) ja Sun Jian Alates Nanjing University sõltumatult saadud sarnased tulemused, mis näitavad, et Tc skandium suureneb monotoonselt 30 K piirkonda, kui rõhk suureneb. Mõlemad meeskonnad said oma tulemused, laadides skandiumiproovi teemant alasi kambrisse ja mõõtes rõhu tõstmisel elemendi juhtivust temperatuuri funktsioonina. Sellised katsed on tehniliselt keerulised ja enne kõrge rõhu 283 GPa saavutamist oli vaja teha mitu katset.

Rõhu poolt indutseeritud elektronide ülekanne

BCS-i raamistikus tuleneb ülijuhtivus elektronide vastastikmõjudest ja vibratsioonist materjali kristallvõres (fonoonid). Teadlaste sõnul sobib skandium sellesse pilti kenasti, kuna kõrge rõhu tõttu liiguvad elektronid elemendi 4s-orbitaalidelt välja selle 3d-orbitaalidesse, suurendades elektron-fononi sidet.

“Ülaltoodud 30 KTc Sc V faasis täheldatud ei sea mitte ainult elementaalide uut rekordit Tc, kuid osutab ka värskele strateegiale kõrgete asjade uurimiseks Tc ülijuhtivus erinevates elementaarsetes tahketes ainetes, ”räägib Jin Füüsika maailm. "Sellised elemendid võivad olla paljutõotavad potentsiaalsete rakenduste jaoks äärmuslikes keskkondades."

Jin lisab, et tema ja ta kolleegid üritavad nüüd kõrgele jõuda Tc faasid madalamal või isegi sellele lähedasel rõhul, kehtestades "keemilise rõhu", mis hõlmab keemiliste üksuste asendamist või lisamist tahkesse võrku.

Töö on üksikasjalikult kirjeldatud Hiina füüsika kirjad.

Ajatempel:

Veel alates Füüsika maailm