Todimensjonalt elektridemateriale utgjør en lovende superleder – Physics World

Todimensjonalt elektridemateriale utgjør en lovende superleder – Physics World

Tidsstempel: 18. oktober 2023 7:00

Diagram av AlH2
I et 2D monolag av aluminiumhydrid (AlH2), er overskytende anioniske elektroner levert av aluminiumet innesperret i mellomrommene i aluminiumsgitteret. Påføring av belastning endrer denne elektronkonfigurasjonen og øker den kritiske temperaturen for superledning. (Med tillatelse: Z Zhao)

En ny teoretisk studie kaster nytt lys på forholdet mellom superledning og "overskytende" elektroner i materialer kjent som elektrider. Studien, på et monolag av aluminiumhydrid, viser at dette materialet bør være en konvensjonell superleder med en kritisk overgangstemperatur TC på 38 K – den høyeste kjente overgangssuperledende temperaturen blant alle todimensjonale elektrider rapportert til dags dato.

Elektrider er en type eksotisk ionisk fast stoff som inneholder flere elektroner enn forventet fra klassisk (valensbinding) teori. Disse ekstra elektronene er kjent som interstitielle anioniske elektroner (IAE) fordi de ikke er bundet til noen atomer. I stedet er de fanget i tomrom innenfor materialets krystallinske gitter.

Teori antyder at manipulering av disse IAE-ene kan tilby en ny vei for å modulere et materiales elektroniske egenskaper. En annen, enda mer fristende mulighet er at IAE-er kan samhandle sterkere med vibrasjoner i krystallgitteret (fononer) enn "normale" elektroner gjør, noe som ville føre til superledning.

De fleste superledende elektrodene som er studert til dags dato, har imidlertid vært tredimensjonale bulkmaterialer, som bare blir superledende ved svært høye trykk (hundrevis av gigapascal) eller svært lave temperaturer (under 10 K). Dette begrenser deres applikasjoner i områder som superledende kvanteinterferens og enkeltelektron superleder kvantepunktenheter.

Mer lovende har forskere nylig oppdaget at todimensjonale (2D) elektrider også kan oppføre seg som superledere - og også ved normalt trykk. Dessverre lider 2D-elektridene som er studert tidligere fortsatt av svært lave Tcs.

Et nytt monolagsmateriale

I det siste arbeidet, Jijun Zhao og kolleger på Key Laboratory of Materials Modification by Laser, Ion and Electron Beams på Dalian teknologiske universitetstuderte Kina et monolag av aluminiumhydrid (AlH2) hvor overskytende anioniske elektroner levert av aluminiumet er innesperret i mellomrommene i aluminiumsgitteret. Dette 2D-materialet er stabilt takket være interaksjonene mellom IAE-ene og gitteret.

Ved hjelp av elektronlokaliseringsfunksjonsanalyser fant forskerne at aluminium-hydrogenbindingen er ionisk og at hvert hydrogenatom får rundt 0.9 elektroner fra hvert aluminiumatom, som har en tendens til å miste tre valenselektroner. Imidlertid, siden H- anion kan ikke romme flere elektroner, eventuelle gjenværende elektroner levert av aluminiumet havner i gitterets mellomrom, noe som resulterer i en nulldimensjonal elektridetilstand. Ytterligere beregninger bekreftet tilstedeværelsen av IAE-ene og denne elektridetilstanden.

Høyeste Tc for enhver kjent 2D-elektride

Uventet fant Dalian-teamet også ut at IAE-ene levert av aluminiumet ikke er ansvarlige for materialets superledningsevne. Dette, sier Zhao, er "et annet innovativt punkt i arbeidet vårt" og "i motsetning til det som er observert for de fleste tidligere kjente superledende elektrider". I stedet er det hydrogenatomenes 1s elektroner som kobles sterkt med de fononiske vibrasjonene til aluminium som gjør at materialet kan bli en konvensjonell (“BCS”) superleder med en Tc på 38 K.

Og det var ikke alt: forskerne fant også at bruk av en biaksial belastning på 5 % på AlH2 kan øke dette Tc til 53 K. Dette er fordi stammen konverterer IAE-ene til omreisende elektroner, noe som fremmer dannelsen av de stabile Cooper-elektronparene som kreves for superledning, sier de.

"Vår teoretiske studie etablerer et enhetlig bilde om forholdet mellom IAE, den dynamiske stabiliteten til vertsgitteret og superledning i AlH2 monolag,” forteller teammedlem Xue Jiang Fysikkens verden. "Det presenterer et betydelig skritt mot en omfattende forståelse av 2D-superledende elektrider, som igjen åpner nye veier mot nye klasser av høy-Tc lavdimensjonale superledere."

Dalian University of Technology-teamet fokuserer nå på et bredere spekter av lavdimensjonale materialer med superledning eller andre eksotiske elektroniske egenskaper.

Arbeidet er detaljert i Kinesiske fysikkbokstaver.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden