แพลเลเดียมออกไซด์สามารถสร้างตัวนำยิ่งยวดได้ดีขึ้น - โลกฟิสิกส์

แพลเลเดียมออกไซด์สามารถสร้างตัวนำยิ่งยวดได้ดีขึ้น - โลกฟิสิกส์

ประทับเวลา: 1 มิถุนายน 2023 7:00 น

การคำนวณชี้ให้เห็นว่าพาลาเดตอาจถึงจุดที่เหมาะสมของการกำหนดค่าอิเล็กทรอนิกส์สำหรับตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง
ตัวนำยิ่งยวดที่ยอดเยี่ยม? Palladates อาจมีการกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ที่สมบูรณ์แบบสำหรับตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง (ขอบคุณภาพ: เอ็ม กิตตะธานี เอตอัล)

พาลาเดต – วัสดุออกไซด์จากธาตุแพลเลเดียม – สามารถใช้ทำตัวนำยิ่งยวดที่ทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่าคัพเรต (คอปเปอร์ออกไซด์) หรือนิกเกิล (นิกเกิลออกไซด์) ตามการคำนวณของนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเฮียวโก ประเทศญี่ปุ่น TU Wien และ เพื่อนร่วมงาน. การศึกษาครั้งใหม่ระบุอีกสองพาลาเดตดังกล่าวว่า "เหมาะสมที่สุด" ในแง่ของคุณสมบัติสองประการที่สำคัญสำหรับตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง ได้แก่ ความแข็งแรงของความสัมพันธ์และความผันผวนเชิงพื้นที่ของอิเล็กตรอนในวัสดุ

ตัวนำยิ่งยวดเป็นวัสดุที่นำไฟฟ้าได้โดยไม่มีความต้านทานเมื่อเย็นลงจนต่ำกว่าอุณหภูมิเปลี่ยนผ่านที่กำหนด Tc. ตัวนำยิ่งยวดตัวแรกที่ถูกค้นพบคือปรอทที่เป็นของแข็งในปี 1911 แต่อุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านนั้นสูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์เพียงไม่กี่องศา หมายความว่าต้องใช้สารหล่อเย็นฮีเลียมเหลวราคาแพงเพื่อให้อยู่ในเฟสตัวนำยิ่งยวด ตัวนำยิ่งยวด "ทั่วไป" อีกหลายตัวตามที่ทราบกันดีว่าถูกค้นพบหลังจากนั้นไม่นาน แต่ทั้งหมดมีค่าต่ำในทำนองเดียวกันของ Tc.

อย่างไรก็ตาม ตั้งแต่ช่วงปลายทศวรรษ 1980 เป็นต้นมา ตัวนำยิ่งยวดประเภทใหม่ที่มีอุณหภูมิสูง Tc เหนือจุดเดือดของไนโตรเจนเหลว (77 K) โผล่ออกมา ตัวนำยิ่งยวดที่ “ไม่ธรรมดา” เหล่านี้ไม่ใช่โลหะ แต่เป็นฉนวนที่มีคอปเปอร์ออกไซด์ (คิวเปต) และการมีอยู่ของมันบ่งชี้ว่าตัวนำยิ่งยวดอาจยังคงอยู่ที่อุณหภูมิสูงขึ้นไปอีก เมื่อเร็ว ๆ นี้ นักวิจัยได้ระบุว่าวัสดุที่มีนิเกิลออกไซด์เป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงที่ดีในสายเดียวกับลูกพี่ลูกน้องของ Cuprate

เป้าหมายหลักของการวิจัยนี้คือการค้นหาวัสดุที่ยังคงมีตัวนำยิ่งยวดแม้ในอุณหภูมิห้อง วัสดุดังกล่าวจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและสายส่งได้อย่างมาก ในขณะเดียวกันก็ทำให้การใช้งานทั่วไปของตัวนำยิ่งยวด (รวมถึงแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดในเครื่องเร่งอนุภาคและอุปกรณ์ทางการแพทย์ เช่น เครื่องสแกน MRI) ง่ายขึ้นและราคาถูกลง

ปัญหาพื้นฐานที่แก้ไม่ตก

ทฤษฎีคลาสสิกของตัวนำยิ่งยวด (เรียกว่าทฤษฎี BCS ตามชื่อย่อของผู้ค้นพบคือ Bardeen, Cooper และ Schrieffer) อธิบายว่าเหตุใดปรอทและองค์ประกอบที่เป็นโลหะส่วนใหญ่จึงต่ำกว่าตัวนำยิ่งยวด Tc: เฟอร์มิโอนิกอิเล็กตรอนจับคู่กันเพื่อสร้างโบซอนที่เรียกว่าคูเปอร์คูเปอร์ โบซอนเหล่านี้ก่อตัวเป็นคอนเดนเสทที่เชื่อมโยงกันในเฟสซึ่งสามารถไหลผ่านวัสดุในลักษณะของกระแสน้ำยิ่งยวดที่ไม่มีการกระเจิง และเป็นผลให้ตัวนำยิ่งยวดปรากฏขึ้น อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีนี้สั้นมาก เมื่อพูดถึงการอธิบายกลไกเบื้องหลังตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง แท้จริงแล้ว ตัวนำยิ่งยวดที่ไม่เป็นทางการเป็นปัญหาพื้นฐานที่ยังไม่ได้แก้ไขในฟิสิกส์ของสสารควบแน่น

เพื่อให้เข้าใจวัสดุเหล่านี้ได้ดีขึ้น นักวิจัยจำเป็นต้องทราบว่าอิเล็กตรอนของโลหะทรานซิชัน 3 มิติเหล่านี้มีความสัมพันธ์กันอย่างไร และพวกมันมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกันมากน้อยเพียงใด ผลกระทบจากความผันผวนเชิงพื้นที่ (ซึ่งได้รับการปรับปรุงโดยความจริงที่ว่าออกไซด์เหล่านี้มักถูกสร้างเป็นวัสดุสองมิติหรือวัสดุฟิล์มบาง) ก็มีความสำคัญเช่นกัน แม้ว่าเทคนิคต่างๆ เช่น การก่อกวนด้วยไดอะแกรมของไฟน์แมนสามารถใช้เพื่ออธิบายความผันผวนดังกล่าวได้ แต่เทคนิคเหล่านี้ยังขาดประสิทธิภาพเมื่อพูดถึงการจับผลกระทบของความสัมพันธ์ เช่น การเปลี่ยนผ่านของฉนวนโลหะ (Mott) ซึ่งเป็นหนึ่งในรากฐานที่สำคัญของความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง

นี่คือที่มาของแบบจำลองที่เรียกว่าทฤษฎีสนามค่าเฉลี่ยไดนามิก (DMFT) ในผลงานชิ้นใหม่นี้ นักวิจัยนำโดย TU เวียนนา นักฟิสิกส์โซลิดสเตต คาร์สเตน เฮลด์ ใช้ส่วนขยายไดอะแกรมที่เรียกว่า DMFT เพื่อศึกษาพฤติกรรมของตัวนำยิ่งยวดของสารประกอบแพลลาเดตหลายชนิด

การคำนวณซึ่งมีรายละเอียดอยู่ใน จดหมายทางกายภาพความคิดเห็นเผยให้เห็นว่าอันตรกิริยาระหว่างอิเล็กตรอนต้องแรง แต่ไม่แรงเกินไป เพื่อให้ได้อุณหภูมิทรานซิชันที่สูง คัพเรตหรือนิเกิเลตไม่ใกล้เคียงกับอันตรกิริยาประเภทกลางที่เหมาะสมที่สุดนี้ แต่แพลเลตคือ “แพลเลเดียมอยู่ต่ำกว่านิเกิลหนึ่งบรรทัดในตารางธาตุ” เฮลด์ตั้งข้อสังเกต “คุณสมบัติคล้ายกัน แต่โดยเฉลี่ยแล้วอิเล็กตรอนมีระยะห่างค่อนข้างไกลจากนิวเคลียสของอะตอมและกันและกัน ดังนั้นปฏิสัมพันธ์ทางอิเล็กทรอนิกส์จึงอ่อนแอกว่า”

นักวิจัยพบว่าในขณะที่พาลาเดตบางตัว โดยเฉพาะ RbSr2กปปส3 และ A'2กปปส2Cl2 (A′=บา0.5La0.5) เป็น "เกือบเหมาะสมที่สุด" อื่นๆ เช่น NdPdO2มีความสัมพันธ์ที่อ่อนแอเกินไป “คำอธิบายทางทฤษฎีของเราเกี่ยวกับตัวนำยิ่งยวดได้มาถึงระดับใหม่แล้ว” โมโตฮารุ คิตาทานิ ของ มหาวิทยาลัยเฮียวโกะ บอก โลกฟิสิกส์. "เรามั่นใจว่าเพื่อนร่วมงานทดลองของเราจะพยายามสังเคราะห์วัสดุเหล่านี้"

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์