Scandium ทำลายสถิติอุณหภูมิของตัวนำยิ่งยวดธาตุ - โลกฟิสิกส์

Scandium ทำลายสถิติอุณหภูมิของตัวนำยิ่งยวดธาตุ - โลกฟิสิกส์

Time Stamp: 7 ธันวาคม 2023 6:27 น.

แผนภาพเฟสของอุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านของสแกนเดียมตามฟังก์ชันของความดัน
สแกนเดียมเป็นตัวนำยิ่งยวดธาตุชนิดเดียวที่ทราบว่ามีอุณหภูมิวิกฤติในช่วง 30 เคลวิน แผนภาพเฟสนี้แสดงอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงของตัวนำยิ่งยวด (Tc) และโครงสร้างผลึกเทียบกับความดันของสแกนเดียม ผลลัพธ์ที่วัดได้จากตัวอย่างทั้งห้าตัวอย่างที่ศึกษาแสดงให้เห็นถึงแนวโน้มที่สอดคล้องกัน (ได้รับความอนุเคราะห์: ภาษาจีน เล็ต 40 107403)

สแกนเดียมยังคงเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงกว่า 30 K ทำให้เป็นองค์ประกอบแรกที่รู้จักตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงเช่นนี้ การค้นพบที่ทำลายสถิตินี้จัดทำโดยนักวิจัยในประเทศจีน ญี่ปุ่น และแคนาดา ซึ่งกำหนดให้องค์ประกอบดังกล่าวได้รับความกดดันสูงถึง 283 GPa หรือประมาณ 2.3 ล้านเท่าความกดอากาศที่ระดับน้ำทะเล

วัสดุหลายชนิดกลายเป็นตัวนำยิ่งยวด กล่าวคือ พวกมันนำไฟฟ้าโดยไม่มีความต้านทาน เมื่อเย็นลงจนถึงอุณหภูมิต่ำ ตัวนำยิ่งยวดตัวแรกที่ถูกค้นพบ ได้แก่ ปรอทที่เป็นของแข็งในปี พ.ศ. 1911 และอุณหภูมิการเปลี่ยนผ่าน Tc  อยู่เหนือศูนย์สัมบูรณ์เพียงไม่กี่องศา หลังจากนั้นไม่นาน ตัวนำยิ่งยวดอื่นๆ อีกหลายตัวก็ถูกค้นพบโดยมีค่าความเย็นจัดเช่นเดียวกัน Tc.

ในช่วงปลายทศวรรษ 1950 ทฤษฎี Bardeen–Cooper–Schrieffer (BCS) อธิบายการเปลี่ยนแปลงของตัวนำยิ่งยวดนี้ว่าเป็นจุดที่อิเล็กตรอนเอาชนะแรงผลักกันทางไฟฟ้าซึ่งกันและกัน เพื่อสร้างสิ่งที่เรียกว่า “คู่คูเปอร์” ซึ่งจากนั้นจะเดินทางผ่านวัสดุได้อย่างไม่จำกัด แต่เริ่มต้นในช่วงปลายทศวรรษ 1980 มีตัวนำยิ่งยวดประเภท "อุณหภูมิสูง" ชนิดใหม่เกิดขึ้นซึ่งไม่สามารถอธิบายได้โดยใช้ทฤษฎี BCS วัสดุเหล่านี้ก็มี Tc เหนือจุดเดือดของไนโตรเจนเหลว (77 K) และไม่ใช่โลหะ แต่เป็นฉนวนที่มีคอปเปอร์ออกไซด์ (ถ้วยเรต) และการดำรงอยู่ของพวกมันบ่งบอกว่าอาจเป็นไปได้ที่จะบรรลุความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิที่สูงขึ้นไปอีก

การค้นหาตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้องได้ดำเนินมานับตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา เนื่องจากวัสดุดังกล่าวจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและสายส่งได้อย่างมาก ขณะเดียวกันก็ทำให้การใช้งานทั่วไปของตัวนำยิ่งยวด (รวมถึงแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดในเครื่องเร่งอนุภาคและอุปกรณ์ทางการแพทย์ เช่น เครื่องสแกน MRI) ง่ายขึ้น และถูกกว่า

แพลตฟอร์มง่ายๆ สำหรับการศึกษาความเป็นตัวนำยิ่งยวด

ตัวนำยิ่งยวดที่เป็นธาตุได้รับความสนใจเป็นอย่างมากในระหว่างการค้นหานี้ เนื่องจากเป็นตัวนำไฟฟ้าแบบง่ายๆ สำหรับการศึกษาความเป็นตัวนำยิ่งยวด ทราบกันว่าองค์ประกอบประมาณ 20 ชนิดเป็นตัวนำยิ่งยวดที่ความดันบรรยากาศ ในจำนวนนี้ไนโอเบียมมีปริมาณสูงสุด Tcที่ประมาณ 9.2 K องค์ประกอบอีก 30 ธาตุกลายเป็นตัวนำยิ่งยวดที่แรงดันสูง แต่เป็นสถิติก่อนหน้านี้ Tc ในกลุ่มนี้มีเพียง 26 K สำหรับธาตุไทเทเนียม

ในงานก่อนหน้านี้ นักวิจัยรายงานว่า scandium (Sc) ผ่านการเปลี่ยนเฟสโครงสร้าง 23 รูปแบบที่ความดันประมาณ 104, 140, 240 และ 21 GPa ทำให้เกิด Sc II, Sc III, Sc IV และ Sc V ตามลำดับ เป็นที่รู้กันว่า Scandium กลายเป็นตัวนำยิ่งยวดที่ XNUMX GPa ด้วย a Tc ประมาณ 0.35 K และการทดลองก่อนหน้านี้ได้ผลักดันสิ่งนี้ Tc สูงถึง 19.6 K ที่ 107 GPa ใกล้กับขอบเขตเฟสระหว่างเฟส Sc II และ Sc III

ในงานใหม่ซึ่งนำนักวิจัย ฉางชิงจิน อธิบายว่าเป็น "การติดตามผลการค้นพบครั้งก่อนของเรา" ของความเป็นตัวนำยิ่งยวดในไทเทเนียมที่ 26 K ซึ่งเป็นทีมงานจาก สถาบันฟิสิกส์ สถาบันวิทยาศาสตร์จีน (IOPCAS) และ School of Physics, University of Chinese Academy of Sciences (UCAS) เพิ่มแรงกดดันต่อสแกนเดียมเป็น 238 GPa ในการทำเช่นนั้น พวกเขาค้นพบก Tc มากกว่า 30 K ในเฟส V ขององค์ประกอบ ผลที่ได้หมายความว่าสแกนเดียมเป็นตัวนำยิ่งยวดที่เป็นธาตุเพียงชนิดเดียวที่ทราบว่ามี Tc ในช่วง 30 K และทีมงานแนะนำว่าค่านี้อาจสูงขึ้นไปอีกเมื่อมีการบีบอัดเพิ่มเติม

ในการศึกษาแยกกัน ทีมนักวิจัยนำโดย เฉิน เซียนฮุย จาก มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศจีน (USTC) ของ จีน Academy of Sciences (CAS) และ ซุนเจียน ราคาเริ่มต้นที่ มหาวิทยาลัยนานกิง ได้รับผลลัพธ์ที่คล้ายกันโดยอิสระซึ่งแสดงให้เห็นว่า Tc ของสแกนเดียมจะเพิ่มขึ้นอย่างซ้ำซากในบริเวณ 30 K เมื่อความดันเพิ่มขึ้น ทั้งสองทีมได้รับผลลัพธ์โดยการโหลดตัวอย่างสแกนเดียมลงในเซลล์ทั่งเพชร และวัดค่าการนำไฟฟ้าขององค์ประกอบตามฟังก์ชันของอุณหภูมิในขณะที่ความดันเพิ่มขึ้น การทดลองดังกล่าวถือเป็นการทดลองที่ท้าทายทางเทคนิค และจำเป็นต้องพยายามหลายครั้งก่อนที่จะถึงแรงกดดันสูงถึง 283 GPa

การถ่ายโอนอิเล็กตรอนที่เกิดจากความดัน

ในกรอบการทำงานของ BCS ความเป็นตัวนำยิ่งยวดเกิดขึ้นจากอันตรกิริยาระหว่างอิเล็กตรอนและการสั่นสะเทือนในโครงผลึก (โฟนัน) ของวัสดุ นักวิจัยระบุว่า สแกนเดียมเข้ากันได้อย่างลงตัวกับภาพนี้ เนื่องจากแรงกดดันสูงทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนออกจากวงโคจร 4s ของธาตุและเข้าสู่วงโคจร 3 มิติของมัน ทำให้การมีเพศสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กตรอน-โฟนอนเพิ่มขึ้น

“ยอด 30 KT ขึ้นไปc ที่พบในระยะ Sc V ไม่เพียงแต่สร้างสถิติใหม่สำหรับธาตุเท่านั้น Tcแต่ยังชี้ให้เห็นถึงกลยุทธ์ใหม่ในการสำรวจที่สูง Tc ความเป็นตัวนำยิ่งยวดในของแข็งธาตุต่างๆ” จินกล่าว โลกฟิสิกส์. “องค์ประกอบดังกล่าวอาจมีแนวโน้มสำหรับการใช้งานที่มีศักยภาพในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง”

จินเสริมว่าตอนนี้เขาและเพื่อนร่วมงานกำลังพยายามไปให้ถึงจุดสูงสุด Tc เฟสที่ความดันต่ำกว่าหรือใกล้เคียงโดยการแนะนำ "ความดันเคมี" ซึ่งเกี่ยวข้องกับการทดแทนหรือเพิ่มเอนทิตีทางเคมีในเครือข่ายที่มั่นคง

รายละเอียดงานใน อักษรจีนฟิสิกส์.

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์