Material de eletreto bidimensional é um supercondutor promissor – Physics World

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Carimbo de data / hora: 18 de outubro de 2023 7h00

Diagrama de AlH2
Em uma monocamada 2D de hidreto de alumínio (AlH2), o excesso de elétrons aniônicos fornecidos pelo alumínio ficam confinados nos interstícios da rede de alumínio. A aplicação de tensão altera essa configuração eletrônica e aumenta a temperatura crítica para a supercondutividade. (Cortesia: Z Zhao)

Um novo estudo teórico lança nova luz sobre a relação entre supercondutividade e “excesso” de elétrons em materiais conhecidos como eletretos. O estudo, sobre uma monocamada de hidreto de alumínio, mostra que esse material deveria ser um supercondutor convencional com temperatura de transição crítica TC de 38 K – a temperatura supercondutora de transição mais alta conhecida entre todos os eletretos bidimensionais relatados até o momento.

Os eletretos são um tipo de sólido iônico exótico que contém mais elétrons do que o esperado pela teoria clássica (ligação de valência). Esses elétrons adicionais são conhecidos como elétrons aniônicos intersticiais (IAEs) porque não estão ligados a nenhum átomo. Em vez disso, eles ficam presos em vazios dentro da estrutura cristalina do material.

A teoria sugere que a manipulação desses IAEs poderia oferecer um novo caminho para modular as propriedades eletrônicas de um material. Outra possibilidade, ainda mais tentadora, é que os IAEs possam interagir mais fortemente com as vibrações da rede cristalina (fônons) do que os elétrons “normais”, o que levaria à supercondutividade.

A maioria dos eletretos supercondutores estudados até agora, entretanto, têm sido materiais tridimensionais em massa, que se tornam supercondutores apenas em pressões muito altas (centenas de gigapascais) ou temperaturas muito baixas (abaixo de 10 K). Isso limita suas aplicações em áreas como interferência quântica supercondutora e dispositivos de pontos quânticos supercondutores de elétron único.

De forma mais promissora, os investigadores descobriram recentemente que os electretos bidimensionais (2D) também podem comportar-se como supercondutores – e também a pressões normais. Infelizmente, as eletrizes 2D estudadas anteriormente ainda sofrem de baixa Tcs.

Um novo material monocamada

No último trabalho, Jijun Zhao e colegas da Laboratório Principal de Modificação de Materiais por Feixes de Laser, Íons e Elétrons no Universidade de Tecnologia de Dalian, a China estudou uma monocamada de hidreto de alumínio (AlH2) em que o excesso de elétrons aniônicos fornecidos pelo alumínio estão confinados nos interstícios da rede de alumínio. Este material 2D é estável graças às interações entre os IAEs e a rede.

Usando análises da função de localização de elétrons, os pesquisadores descobriram que a ligação alumínio-hidrogênio é iônica e que cada átomo de hidrogênio ganha cerca de 0.9 elétrons de cada átomo de alumínio, que tende a perder três elétrons de valência. No entanto, desde que o H- o ânion não pode acomodar mais elétrons, quaisquer elétrons restantes fornecidos pelo alumínio acabam nos interstícios da rede, resultando em um estado de eletreto de dimensão zero. Cálculos adicionais confirmaram a presença dos IAEs e deste estado de eletreto.

T mais altoc para qualquer eletreto 2D conhecido

Inesperadamente, a equipe de Dalian também descobriu que os IAEs fornecidos pelo alumínio não são responsáveis ​​pela supercondutividade do material. Este, diz Zhao, é “outro ponto inovador no nosso trabalho” e “em contraste com o que foi observado para a maioria dos electretos supercondutores anteriormente conhecidos”. Em vez disso, são os átomos de hidrogênio '1s elétrons que se acoplam fortemente às vibrações fonônicas do alumínio que permitem que o material se torne um supercondutor convencional (“BCS”) com um Tc de 38 K.

E isso não foi tudo: os pesquisadores também descobriram que a aplicação de uma deformação biaxial de 5% ao AlH2 pode aumentar isso Tc a 53 K. Isso ocorre porque a deformação converte os IAEs em elétrons itinerantes, o que promove a formação dos pares de elétrons de Cooper estáveis ​​necessários para a supercondutividade, dizem eles.

“Nosso estudo teórico estabelece uma imagem unificada sobre a relação entre IAEs, a estabilidade dinâmica da rede hospedeira e a supercondutividade no AlH2 monocamada”, disse o membro da equipe Xue Jiang Mundo da física. “Isso representa um passo significativo em direção à compreensão abrangente dos eletretos supercondutores 2D, que por sua vez abrem novos caminhos para novas classes de eletretos de alta potência.Tc supercondutores de baixa dimensão.”

A equipe da Universidade de Tecnologia de Dalian está agora focada em uma gama mais ampla de materiais de baixa dimensão com supercondutividade ou outras propriedades eletrônicas exóticas.

O trabalho é detalhado em Letras de Física Chinesa.

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