Skandij podira temperaturni rekord za elementarne superprevodnike – Svet fizike

Skandij podira temperaturni rekord za elementarne superprevodnike – Svet fizike

Časovni žig: 7. december 2023 6:27

Fazni diagram skandijeve temperature prehoda kot funkcije tlaka
Scandium is the only known elemental superconductor to have a critical temperature in the 30 K range. This phase diagram shows the superconducting transition temperature (Tc) and crystal structure versus pressure for scandium. The measured results on all the five samples studied show consistent trends. (Courtesy: kitajski fizik. Lett. 40 107403)

Skandij ostaja superprevodnik pri temperaturah nad 30 K, zaradi česar je prvi element, za katerega je znano, da je superprevodnik pri tako visoki temperaturi. Do rekordnega odkritja so prišli raziskovalci na Kitajskem, Japonskem in v Kanadi, ki so element izpostavili pritiskom do 283 GPa – kar je približno 2.3 milijona-kratnik atmosferskega tlaka na morski gladini.

Mnogi materiali postanejo superprevodniki – to pomeni, da prevajajo elektriko brez upora –, ko se ohladijo na nizke temperature. Prvi superprevodnik, ki so ga odkrili, je bilo na primer trdno živo srebro leta 1911 in njegova prehodna temperatura Tc  je le nekaj stopinj nad absolutno ničlo. Kmalu zatem so odkrili več drugih superprevodnikov s podobno ledenimi vrednostmi Tc.

In the late 1950s the Bardeen–Cooper–Schrieffer (BCS) theory explained this superconducting transition as the point at which electrons overcome their mutual electrical repulsion to form so-called “Cooper pairs” that then travel unhindered through the material. But beginning in the late 1980s, a new class of “high-temperature” superconductors emerged that could not be explained using BCS theory. These materials have Tc nad vreliščem tekočega dušika (77 K) in niso kovine. Namesto tega so izolatorji, ki vsebujejo bakrove okside (kuprate), in njihov obstoj je nakazal, da bi bilo mogoče doseči superprevodnost pri še višjih temperaturah.

Iskanje superprevodnikov pri sobni temperaturi poteka že od nekdaj, saj bi takšni materiali znatno izboljšali učinkovitost električnih generatorjev in prenosnih vodov, hkrati pa poenostavili običajne uporabe superprevodnosti (vključno s superprevodnimi magneti v pospeševalnikih delcev in medicinskih napravah, kot je MRI skenerji). in cenejši.

Preprosta platforma za preučevanje superprevodnosti

Elementarni superprevodniki so med tem iskanjem pritegnili veliko pozornosti, ker zagotavljajo tako preproste platforme za preučevanje superprevodnosti. Približno 20 elementov je znanih kot superprevodniki pri tlaku okolice. Od teh ima niobij največ Tc, pri približno 9.2 K. Nadaljnjih 30 elementov postane superprevodnih pri visokih tlakih, vendar prejšnji rekord Tc v tej skupini je bil le 26 K za element titan.

V prejšnjem delu so raziskovalci poročali, da je skandij (Sc) podvržen štirim strukturnim faznim prehodom pri tlakih približno 23, 104, 140 in 240 GPa, pri čemer nastanejo Sc II, Sc III, Sc IV oziroma Sc V. Znano je tudi, da je skandij postal superprevoden pri 21 GPa z a Tc približno 0.35 K, prejšnji poskusi pa so to potisnili Tc kar 19.6 K pri 107 GPa, blizu fazne meje med fazama Sc II in Sc III.

V novem delu, katerega vodilni raziskovalec Changqing Jin opisuje kot "nadaljevanje našega prejšnjega odkritja" superprevodnost v titanu pri 26 K, ekipa iz Inštitut za fiziko Kitajske akademije znanosti (IOPCAS) in Šola za fiziko Univerze Kitajske akademije znanosti (UCAS) sta povečala pritisk na skandij na 238 GPa. Pri tem so odkrili a Tc of above 30 K in the V phase of the element. The result means that scandium is the only known elemental superconductor to have a Tc in the 30 K range, and the team suggests this value may go even higher with further compression.

V ločeni študiji je skupina raziskovalcev pod vodstvom Chen Xianhui Iz Kitajska univerza za znanost in tehnologijo (USTC) iz Kitajska akademija znanosti (CAS) in Sun Jian iz Nanjing University neodvisno dobili podobne rezultate, ki kažejo, da je Tc skandij monotono narašča v območje 30 K, ko se tlak povečuje. Obe ekipi sta dosegli svoje rezultate tako, da sta vzorec skandija naložili v celico z diamantnim nakovalom in izmerili prevodnost elementa kot funkcijo temperature, ko sta povečali tlak. Takšni poskusi so tehnično zahtevni in potrebnih je bilo več poskusov, preden so dosegli visok tlak 283 GPa.

Tlačno povzročen prenos elektronov

V okviru BCS superprevodnost izhaja iz interakcij med elektroni in vibracijami v kristalni mreži materiala (fononi). Po mnenju raziskovalcev se skandij lepo prilega tej sliki, saj visoki pritiski povzročijo, da se elektroni premaknejo iz 4s orbital elementa v njegove 3d, kar poveča elektron-fononsko sklopitev.

»Zgornjih 30 KTc opažen v fazi Sc V ne postavlja le novega rekorda za elementarno Tc, ampak tudi kaže na svežo strategijo za raziskovanje visokih Tc superprevodnost v različnih elementarnih trdnih snoveh,« pravi Jin Svet fizike. "Takšni elementi bi lahko bili obetavni za potencialne aplikacije v ekstremnih okoljih."

Jin dodaja, da zdaj s sodelavci poskuša doseči visoko Tc faze pri nižjem ali celo blizu tlaka okolice z uvedbo "kemičnega tlaka", ki vključuje zamenjavo ali dodajanje kemičnih entitet v trdno mrežo.

Delo je podrobno opisano v Kitajska pisma fizike.

Časovni žig:

Več od Svet fizike