Các nhà nghiên cứu trình bày chi tiết các đặc tính chưa từng thấy trong họ kim loại Kagome siêu dẫn
bởi Đại học Brown
Các nhà nghiên cứu Brown, làm việc với một nhóm các nhà khoa học quốc tế, mô tả cấu trúc hiển vi của chất siêu dẫn Kagome RbV3Sb5 trong một nghiên cứu mới. Tín dụng: M. Zahid Hasan và Jia-Xin Yin, Đại học Princeton. Ảnh: Được phép của phòng trưng bày đa phương tiện của Quỹ Khoa học Quốc gia.
Những tiến bộ vượt bậc trong điện toán lượng tử, điện thoại thông minh chỉ cần sạc mỗi tháng một lần, tàu hỏa bay và di chuyển với tốc độ cực nhanh. Những bước nhảy vọt về công nghệ như thế này có thể cách mạng hóa xã hội, nhưng phần lớn chúng vẫn nằm ngoài tầm với chừng nào tính chất siêu dẫn—dòng điện không có điện trở hoặc lãng phí năng lượng—chưa được hiểu đầy đủ.
Một trong những hạn chế chính đối với các ứng dụng trong thế giới thực của công nghệ này là các vật liệu tạo ra khả năng siêu dẫn thường cần phải ở nhiệt độ cực lạnh để đạt được mức hiệu suất điện đó. Để vượt qua giới hạn này, các nhà nghiên cứu cần xây dựng một bức tranh rõ ràng về các vật liệu siêu dẫn khác nhau trông như thế nào ở quy mô nguyên tử khi chúng chuyển đổi qua các trạng thái khác nhau của vật chất để trở thành chất siêu dẫn.
Các học giả trong phòng thí nghiệm của Đại học Brown, làm việc với một nhóm các nhà khoa học quốc tế, đã tiến một bước nhỏ đến gần hơn để khám phá bí ẩn này đối với một họ kim loại Kagome siêu dẫn được phát hiện gần đây. Trong một nghiên cứu mới, họ đã sử dụng một chiến lược mới đầy sáng tạo kết hợp hình ảnh cộng hưởng từ hạt nhân và lý thuyết mô hình lượng tử để mô tả cấu trúc vi mô của chất siêu dẫn này ở 103 độ Kelvin, tương đương với khoảng 275 độ dưới 0 độ F.
Các nhà nghiên cứu đã mô tả các đặc tính của trạng thái vật chất kỳ lạ này cho những gì được cho là lần đầu tiên trong Nghiên cứu Đánh giá Vật lý. Cuối cùng, những phát hiện này đại diện cho một thành tựu mới trong bước tiến đều đặn hướng tới các chất siêu dẫn hoạt động ở nhiệt độ cao hơn. Các chất siêu dẫn có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng (hoặc gần với nhiệt độ đó) được coi là chén thánh của vật lý chất ngưng tụ vì những cơ hội công nghệ to lớn mà chúng sẽ mở ra trong việc sử dụng năng lượng hiệu quả, bao gồm cả trong truyền tải điện, vận chuyển và điện toán lượng tử.
Giáo sư vật lý Vesna Mitrović của Brown, người đứng đầu nhóm NMR vật chất ngưng tụ tại Đại học và là đồng tác giả của nghiên cứu mới cho biết: “Nếu bạn định chế tạo một thứ gì đó và biến nó thành thương mại, bạn cần biết cách kiểm soát nó. học. "Làm thế nào để chúng tôi mô tả nó? Làm thế nào để chúng tôi điều chỉnh nó để đạt được những gì chúng tôi muốn? Chà, bước đầu tiên là bạn cần biết các trạng thái ở mức độ vi mô. Bạn cần bắt đầu xây dựng một bức tranh hoàn chỉnh về nó. "
Nghiên cứu mới tập trung vào chất siêu dẫn RbV3Sb5, được làm từ các kim loại rubidi vanadi và antimon. Vật liệu này có được cái tên giống như vậy vì cấu trúc nguyên tử đặc biệt của nó, giống như một kiểu đan rổ có các hình tam giác hình ngôi sao liên kết với nhau. Vật liệu Kagome mê hoặc các nhà nghiên cứu vì cái nhìn sâu sắc mà chúng cung cấp về các hiện tượng lượng tử, bắc cầu cho hai trong số các lĩnh vực vật lý cơ bản nhất—vật lý lượng tử tô pô và vật lý vật chất ngưng tụ.
Công trình trước đây từ các nhóm khác nhau đã xác định rằng vật liệu này trải qua một loạt các chuyển pha khác nhau khi nhiệt độ hạ thấp, tạo thành các trạng thái khác nhau của vật chất với các đặc tính kỳ lạ khác nhau. Khi vật liệu này được đưa đến nhiệt độ 103 độ Kelvin, cấu trúc của mạng tinh thể thay đổi và vật liệu thể hiện cái được gọi là sóng mật độ điện tích, trong đó mật độ điện tích nhảy lên nhảy xuống. Hiểu được những bước nhảy này rất quan trọng đối với sự phát triển của các lý thuyết mô tả hành vi của các electron trong vật liệu lượng tử như chất siêu dẫn.
Điều chưa từng thấy trước đây ở loại kim loại Kagome này là cấu trúc vật lý của mạng và thứ tự điện tích này trông như thế nào ở nhiệt độ mà các nhà nghiên cứu đang xem xét, đó là trạng thái nhiệt độ cao nhất mà kim loại bắt đầu chuyển đổi giữa các trạng thái khác nhau của vật chất .
Sử dụng một chiến lược mới kết hợp các phép đo NMR và lý thuyết mô hình hóa được gọi là lý thuyết chức năng mật độ được sử dụng để mô phỏng cấu trúc điện và vị trí của các nguyên tử, nhóm nghiên cứu đã có thể mô tả cấu trúc mới mà mạng thay đổi thành và sóng mật độ điện tích của nó.
Họ đã chỉ ra rằng cấu trúc chuyển từ mẫu 2x2x1 với mẫu Ngôi sao David đặc trưng sang mẫu 2x2x2. Điều này xảy ra do mạng Kagome tự đảo ngược khi nhiệt độ trở nên cực kỳ lạnh. Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng mạng mới mà nó chuyển đổi thành phần lớn được tạo thành từ các hình lục giác và hình tam giác riêng biệt. Họ cũng chỉ ra cách mẫu này kết nối khi họ lấy một mặt phẳng của cấu trúc RbV3Sb5 và xoay nó, ''nhìn'' vào nó từ một góc độ khác.
Mitrović nói: “Cứ như thể Kagome này bây giờ trở thành những thứ phức tạp chia đôi. "Nó kéo căng mạng để
tại Kagome trở thành sự kết hợp của hình lục giác và hình tam giác trong một mặt phẳng và sau đó ở mặt phẳng tiếp theo, sau khi bạn xoay nó nửa vòng, nó sẽ tự lặp lại."
Các nhà nghiên cứu cho biết việc thăm dò cấu trúc nguyên tử này là một bước cần thiết để cung cấp một bức chân dung hoàn chỉnh về các trạng thái kỳ lạ của vật chất mà vật liệu siêu dẫn này chuyển đổi thành. Họ tin rằng những phát hiện này sẽ dẫn đến việc thúc đẩy thêm về việc liệu sự hình thành này và các đặc tính của nó có thể hỗ trợ tính chất siêu dẫn hay không hay nó là thứ gì đó nên bị triệt tiêu để tạo ra chất siêu dẫn tốt hơn. Kỹ thuật độc đáo mới mà họ sử dụng cũng sẽ cho phép các nhà nghiên cứu trả lời một loạt câu hỏi hoàn toàn mới.
"Bây giờ chúng tôi biết đây là gì và công việc tiếp theo của chúng tôi là tìm ra mối quan hệ với các pha kỳ lạ khác ở nhiệt độ thấp là gì - nó có giúp ích gì không, nó có cạnh tranh không, chúng tôi có thể kiểm soát nó không, chúng tôi có thể làm cho nó xảy ra ở nhiệt độ cao hơn không, nếu nó có ích không?" Mitrović nói. "Tiếp theo, chúng ta tiếp tục giảm nhiệt độ và tìm hiểu thêm."
Nghiên cứu thử nghiệm được dẫn dắt bởi Jonathan Frassineti, một sinh viên tốt nghiệp chung giữa Brown và Đại học Bologna, Pietro Bonfà từ Đại học Parma, và hai sinh viên Brown: Erick Garcia và Rong Cong. Công trình lý thuyết do Bonfà phụ trách trong khi tất cả tài liệu được tổng hợp tại Đại học California Santa Barbara.
