Scandium phá kỷ lục nhiệt độ của chất siêu dẫn nguyên tố

Scandium phá kỷ lục nhiệt độ của chất siêu dẫn nguyên tố

Dấu thời gian: Ngày 7 tháng 2023 năm 6 27:XNUMX sáng

Sơ đồ pha của nhiệt độ chuyển tiếp của scandium là hàm của áp suất
Scandium là chất siêu dẫn nguyên tố duy nhất được biết có nhiệt độ tới hạn trong phạm vi 30 K. Sơ đồ pha này cho thấy nhiệt độ chuyển tiếp siêu dẫn (Tc) và cấu trúc tinh thể so với áp suất của scandium. Kết quả đo được trên cả năm mẫu nghiên cứu đều cho thấy xu hướng nhất quán. (Lịch sự: Vật lý Trung Quốc. Hãy để. 40 107403)

Scandium vẫn là chất siêu dẫn ở nhiệt độ trên 30 K, khiến nó trở thành nguyên tố đầu tiên được biết đến là chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao như vậy. Phát hiện phá kỷ lục này được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu ở Trung Quốc, Nhật Bản và Canada, những người đã cho nguyên tố này chịu áp suất lên tới 283 GPa – gấp khoảng 2.3 triệu lần áp suất khí quyển ở mực nước biển.

Nhiều vật liệu trở thành chất siêu dẫn – nghĩa là chúng dẫn điện mà không có điện trở – khi được làm lạnh đến nhiệt độ thấp. Ví dụ, chất siêu dẫn đầu tiên được phát hiện là thủy ngân rắn vào năm 1911 và nhiệt độ chuyển tiếp của nó Tc  chỉ cao hơn độ không tuyệt đối vài độ. Một số chất siêu dẫn khác được phát hiện ngay sau đó với giá trị băng giá tương tự Tc.

Vào cuối những năm 1950, lý thuyết Bardeen–Cooper–Schrieffer (BCS) giải thích sự chuyển tiếp siêu dẫn này là điểm mà tại đó các electron thắng lực đẩy điện lẫn nhau của chúng để tạo thành cái gọi là “cặp Cooper” sau đó chuyển động không bị cản trở trong vật liệu. Nhưng bắt đầu từ cuối những năm 1980, một loại chất siêu dẫn “nhiệt độ cao” mới đã xuất hiện mà không thể giải thích được bằng lý thuyết BCS. Những vật liệu này có Tc trên điểm sôi của nitơ lỏng (77 K) và chúng không phải là kim loại. Thay vào đó, chúng là chất cách điện chứa oxit đồng (cuprate) và sự tồn tại của chúng cho thấy có thể đạt được tính siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn nữa.

Việc tìm kiếm chất siêu dẫn ở nhiệt độ phòng đã được bắt đầu kể từ đó, vì những vật liệu như vậy sẽ cải thiện đáng kể hiệu suất của máy phát điện và đường truyền, đồng thời làm cho các ứng dụng phổ biến của chất siêu dẫn (bao gồm nam châm siêu dẫn trong máy gia tốc hạt và thiết bị y tế như máy quét MRI) trở nên đơn giản hơn và rẻ hơn.

Một nền tảng đơn giản để nghiên cứu tính siêu dẫn

Các chất siêu dẫn nguyên tố đã thu hút được sự chú ý đáng kể trong quá trình tìm kiếm này vì chúng cung cấp những nền tảng đơn giản cho việc nghiên cứu tính siêu dẫn. Khoảng 20 nguyên tố được biết đến là chất siêu dẫn ở áp suất xung quanh. Trong đó niobi có hàm lượng cao nhất Tc, ở khoảng 9.2 K. Hơn 30 nguyên tố nữa trở thành siêu dẫn ở áp suất cao, nhưng kỷ lục trước đó Tc trong nhóm này chỉ là 26 K đối với nguyên tố titan.

Trong nghiên cứu trước đó, các nhà nghiên cứu đã báo cáo rằng scandium (Sc) trải qua bốn giai đoạn chuyển pha cấu trúc ở áp suất khoảng 23, 104, 140 và 240 GPa, lần lượt tạo ra Sc II, Sc III, Sc IV và Sc V. Scandium còn được biết là có khả năng siêu dẫn ở 21 GPa với Tc khoảng 0.35 K, và các thí nghiệm trước đây đã đẩy giá trị này Tc cao tới 19.6 K ở 107 GPa, gần ranh giới pha giữa pha Sc II và Sc III.

Trong công trình mới, người đứng đầu nghiên cứu Trường Khánh Tấn mô tả là “sự tiếp nối khám phá trước đây của chúng tôi” về tính siêu dẫn ở titan ở nhiệt độ 26 K, một nhóm nghiên cứu từ Viện Vật lý, Viện Khoa học Trung Quốc (IOPCAS) và Trường Vật lý, Đại học Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (UCAS) đã tăng áp lực lên scandium lên 238 GPa. Khi làm như vậy, họ đã phát hiện ra một Tc trên 30 K ở pha V của nguyên tố. Kết quả này có nghĩa là scandium là chất siêu dẫn nguyên tố duy nhất được biết có Tc trong phạm vi 30 K và nhóm nghiên cứu cho rằng giá trị này có thể còn cao hơn nữa khi được nén thêm.

Trong một nghiên cứu riêng biệt, một nhóm các nhà nghiên cứu dẫn đầu bởi Trần Tiên Huy từ Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc (USTC) của Học viện Khoa học Trung Quốc (CAS) và Sun Jian từ Đại học Nanjing thu được kết quả tương tự một cách độc lập cho thấy rằng Tc scandium tăng đơn điệu vào vùng 30 K khi áp suất tăng. Cả hai đội đều thu được kết quả bằng cách nạp mẫu scandium của họ vào một hộp đe kim cương và đo độ dẫn điện của nguyên tố theo hàm số của nhiệt độ khi họ tăng áp suất. Những thí nghiệm như vậy là thách thức về mặt kỹ thuật và cần phải có nhiều nỗ lực trước khi chúng đạt được áp suất cao 283 GPa.

Chuyển điện tử do áp suất

Trong khung BCS, tính siêu dẫn bắt nguồn từ sự tương tác giữa các electron và dao động trong mạng tinh thể (phonon) của vật liệu. Theo các nhà nghiên cứu, scandium rất phù hợp với bức tranh này, vì áp suất cao khiến các electron di chuyển ra khỏi quỹ đạo 4s của nguyên tố và chuyển sang quỹ đạo 3d của nó, làm tăng sự liên kết electron-phonon.

“30 KT trênc được quan sát thấy trong pha Sc V không chỉ lập kỷ lục mới về nguyên tố Tc, mà còn chỉ ra một chiến lược mới để khám phá Tc tính siêu dẫn trong các chất rắn nguyên tố đa dạng,” Jin nói Thế giới vật lý. “Những nguyên tố như vậy có thể hứa hẹn cho những ứng dụng tiềm năng trong những môi trường khắc nghiệt.”

Jin cho biết thêm rằng anh và các đồng nghiệp hiện đang cố gắng đạt được thành tích cao Tc pha ở áp suất thấp hơn hoặc thậm chí gần bằng áp suất xung quanh bằng cách đưa vào “áp suất hóa học”, bao gồm việc thay thế hoặc thêm các thực thể hóa học vào một mạng lưới rắn.

Công việc được trình bày chi tiết trong Chữ cái Vật lý Trung Quốc.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý