Palladiumoksider kan lage bedre superledere – Physics World

Palladater – oksidmaterialer basert på grunnstoffet palladium – kan brukes til å lage superledere som fungerer ved høyere temperaturer enn kuprater (kobberoksider) eller nikkelater (nikkeloksider), ifølge beregninger fra forskere ved University of Hyogo, Japan, TU Wien og kollegaer. Den nye studien identifiserer videre to slike palladater som "praktisk talt optimale" når det gjelder to egenskaper som er viktige for høytemperatursuperledere: korrelasjonsstyrken og de romlige svingningene til elektronene i materialet.

Superledere er materialer som leder elektrisitet uten motstand når de avkjøles til under en viss overgangstemperatur, T_c. Den første superlederen som ble oppdaget var fast kvikksølv i 1911, men overgangstemperaturen er bare noen få grader over absolutt null, noe som betyr at det kreves dyrt flytende heliumkjølevæske for å holde det i den superledende fasen. Flere andre "konvensjonelle" superledere, som de er kjent, ble oppdaget kort tid etterpå, men alle har tilsvarende lave verdier på T_c.

Fra slutten av 1980-tallet kom imidlertid en ny klasse av "høytemperatur"-superledere med T_c over kokepunktet for flytende nitrogen (77 K) kom frem. Disse "ukonvensjonelle" superlederne er ikke metaller, men isolatorer som inneholder kobberoksider (kuprater), og deres eksistens antyder at superledning kan vedvare ved enda høyere temperaturer. Nylig har forskere identifisert materialer basert på nikkeloksider som gode høytemperatur-superledere på samme måte som deres cuprate-kusiner.

Et hovedmål med denne forskningen er å finne materialer som forblir superledende selv ved romtemperatur. Slike materialer vil i stor grad forbedre effektiviteten til elektriske generatorer og overføringslinjer, samtidig som vanlige anvendelser av superledning (inkludert superledende magneter i partikkelakseleratorer og medisinsk utstyr som MR-skannere) blir enklere og billigere.

Et grunnleggende uløst problem

Den klassiske teorien om superledning (kjent som BCS-teorien etter initialene til oppdagerne, Bardeen, Cooper og Schrieffer) forklarer hvorfor kvikksølv og de fleste metalliske elementer superleder under deres T_c: deres fermioniske elektroner parer seg for å lage bosoner kalt Cooper-par. Disse bosonene danner et fasekoherent kondensat som kan strømme gjennom materialet som en superstrøm som ikke opplever spredning, og superledning oppstår som et resultat. Teorien kommer imidlertid til kort når det gjelder å forklare mekanismene bak høytemperatursuperledere. Faktisk er ukonvensjonell superledning et grunnleggende uløst problem i fysikk av kondensert materie.

For bedre å forstå disse materialene, må forskerne vite hvordan elektronene til disse 3d-overgangsmetallene er korrelert og hvor sterkt de samhandler med hverandre. Romlige fluktuasjonseffekter (som forsterkes av det faktum at disse oksidene vanligvis er laget som todimensjonale eller tynnfilmsmaterialer) er også viktige. Mens teknikker som Feynman diagrammatiske forstyrrelser kan brukes til å beskrive slike svingninger, kommer de til kort når det gjelder å fange opp korrelasjonseffekter som metall-isolator (Mott) overgangen, som er en av hjørnesteinene i høytemperatur superledning.

Det er her en modell kjent som dynamisk middelfeltteori (DMFT) kommer til sin rett. I det nye arbeidet har forskere ledet av Vienna University of Technology solid-state fysiker Karsten Held brukte såkalte diagrammatiske utvidelser til DMFT for å studere den superledende oppførselen til flere palladatforbindelser.

Cuprate-superledere inneholder en merkelig komponent

Beregningene, som er detaljert i Physical Review Letters, avslører at interaksjonen mellom elektroner må være sterk, men ikke for sterk, for å oppnå høye overgangstemperaturer. Verken cuprates eller nikkelates er i nærheten av denne optimale, middels type interaksjon, men palladates er. "Palladium er direkte en linje under nikkel i det periodiske systemet," observerer Held. "Egenskapene er like, men elektronene der er i gjennomsnitt noe lenger unna atomkjernen og hverandre, så den elektroniske interaksjonen er svakere."

Forskerne fant at mens noen palladates, spesielt RbSr₂PdO₃ og A′₂PdO₂Cl₂ (A′=Ba_0.5La_0.5), er "praktisk talt optimale", andre, for eksempel NdPdO₂, er for svakt korrelert. "Vår teoretiske beskrivelse av superledning har nådd et nytt nivå," Motoharu Kitatani av Universitetet i Hyogo forteller Fysikkens verden. "Vi er positive over at våre eksperimentelle kolleger nå vil prøve å syntetisere disse materialene."

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• Minting the Future med Adryenn Ashley. Tilgang her.
• Kjøp og selg aksjer i PRE-IPO-selskaper med PREIPO®. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/palladium-oxides-could-make-better-superconductors/