Обнаружение сверхпроводимости в никелатах

Прочитано: 43 раз(а)
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (1 голосов, среднее: 5,00 из 5)
Loading ... Loading ...


По словам Антиа Ботана, профессора физики Университета штата Аризона, изучение сверхпроводимости изобилует разочарованиями, тупиками и случайными открытиями.

«Как теоретики, мы, как правило, не можем предсказать появление новых сверхпроводников», — сказала она.

Однако в 2021 году она пережила кульминацию своей ранней карьеры. Работая с экспериментатором Джулией Манди из Гарвардского университета, она открыла новый сверхпроводящий материал — пятислойный никелат. Они сообщили о своих выводах в Nature Materials в сентябре 2021 года.

«Это был один из лучших моментов в моей жизни, — вспоминает Ботана. «Я возвращался из Испании и получил сообщение от моего сотрудника Джулии Манди во время остановки. Когда я увидел, что удельное сопротивление упало до нуля — нет ничего лучше этого».

Ботана была выбрана научным сотрудником Sloan Research Fellow 2022 года. Ее исследования поддерживаются премией CAREER от Национального научного фонда (NSF).

«Профессор Ботана является одним из самых влиятельных теоретиков в области нетрадиционной сверхпроводимости , особенно в области слоистых никелатов, которые привлекли огромное внимание со стороны сообществ, занимающихся физикой материалов и конденсированных сред», — сказал Сердар Огут, программный директор отдела исследования материалов в Национальный научный фонд. «Я ожидаю, что ее новаторские теоретические исследования в сотрудничестве с ведущими экспериментаторами в США продолжат раздвигать границы, приведут к открытию новых сверхпроводящих материалов и раскрытию фундаментальных механизмов, которые однажды могут проложить путь к сверхпроводимости при комнатной температуре. »

Сверхпроводимость — это явление, которое возникает, когда электроны образуют пары, а не движутся изолированно, отталкивая весь магнетизм и позволяя электронам двигаться без потери энергии. Разработка сверхпроводников при комнатной температуре позволила бы передавать электричество без потерь и создавать более быстрые и дешевые квантовые компьютеры. Изучение этих материалов является областью теории конденсированного состояния.

«Мы пытаемся понять, что называется квантовыми материалами — материалами, в которых все классическое, что мы изучали в бакалавриате, разваливается, и никто не понимает, почему они делают те забавные вещи, которые они делают», — пошутил Ботана.

Она начала исследовать никелаты в основном для того, чтобы лучше понять купраты — сверхпроводники на основе оксида меди, впервые обнаруженные в 1986 году. Тридцать лет спустя механизм, обеспечивающий сверхпроводимость в этих материалах, до сих пор горячо оспаривается.

Botana подходит к проблеме, рассматривая материалы, похожие на купраты. «Медь и никель находятся рядом друг с другом в периодической таблице», — сказала она. «Это было очевидно, поэтому люди долгое время безуспешно искали никелаты».

Но затем, в 2019 году, команда из Стэнфорда обнаружила сверхпроводимость в никелате, хотя и «легированном» или химически измененном для улучшения его электронных характеристик. «Материал, который они нашли в 2019 году, является частью большой семьи, чего мы и хотим, потому что он позволяет нам лучше проводить сравнения с купратами», — сказала она.

Открытие Ботана в 2021 году было построено на этом фундаменте с использованием формы нелегированного никелата с уникальной плоско-квадратной слоистой структурой. Она решила исследовать эту конкретную форму никелата — редкоземельный, пятислойный, квадратно-плоский никелат — основываясь на интуиции.

«После многих лет экспериментов с различными материалами люди, изучающие электронную структуру, развивают интуицию такого типа», — сказала она. «Я видел это на протяжении многих лет с моими наставниками».

Идентификация другой формы сверхпроводящего никелата позволяет исследователям выявить сходства и различия между никелатами, а также между никелатами и купратами. Пока что чем больше никелатов изучается, тем больше они похожи на купраты.

«Фазовая диаграмма кажется очень похожей. Механизм спаривания электронов кажется таким же, — говорит Ботана, — но этот вопрос еще предстоит решить».

Обычные сверхпроводники демонстрируют s-образное спаривание — электроны могут образовывать пары в любом направлении и располагаться друг над другом, поэтому волна представляет собой сферу. С другой стороны, никелаты, вероятно, демонстрируют спаривание d-волн, а это означает, что подобная облаку квантовая волна, описывающая спаренные электроны, имеет форму четырехлистного клевера. Еще одно ключевое отличие заключается в том, насколько сильно кислород и переходные металлы перекрываются в этих материалах. Купраты демонстрируют большой «суперобмен» — материал обменивает электроны на атомы меди через путь, который содержит кислород, а не напрямую.

«Мы думаем, что это может быть одним из факторов, определяющих сверхпроводимость и вызывающих более низкую критическую температуру никелатов», — сказала она. «Мы можем искать способы оптимизации этой характеристики».

Ботана и его коллеги Кван-Ву Ли, Майкл Р. Норман, Виктор Пардо, Уоррен Э. Пикетт описали некоторые из этих различий в обзорной статье для Frontiers in Physics в феврале 2022 года.

Поиск первопричин сверхпроводимости

В статье для Physical Review X в марте 2022 года Ботана и его сотрудники из Брукхейвенской национальной лаборатории и Аргоннской национальной лаборатории глубже изучили роль состояний кислорода в низковалентном никелате La 4 Ni 3 O 8 . Используя вычислительные и экспериментальные методы, они сравнили материал с прототипом купрата с аналогичным электронным наполнением. Работа была уникальна тем, что в ней непосредственно измерялась энергия гибридизованных состояний никель-кислород.

Они обнаружили, что, несмотря на то, что для переноса зарядов требуется больше энергии, никелаты сохраняют значительную способность к суперобмену. Они приходят к выводу, что при интерпретации свойств никелатов необходимо учитывать как «кулоновские взаимодействия» (притяжение или отталкивание частиц или объектов из-за их электрического заряда), так и процессы переноса заряда.

Квантовые явления, которые изучает Ботана, происходят в наименьших известных масштабах и могут быть исследованы только косвенно с помощью физического эксперимента (как в статье Physical Review X ). Botana использует вычислительное моделирование, чтобы делать прогнозы, помогать интерпретировать эксперименты и делать выводы о поведении и динамике таких материалов, как никелат с бесконечным слоем.

В ее исследованиях используется теория функционала плотности, или DFT — средство вычислительного решения уравнения Шредингера, описывающее волновую функцию квантово-механической системы, — а также более новое и более точное ответвление, известное как динамическая теория среднего поля, которая может рассматривать электроны , которые сильно коррелированы.

Для проведения своих исследований Ботана использует суперкомпьютер Stampede2 Техасского передового вычислительного центра (TACC) — второй по скорости среди всех университетов США, — а также машины Университета штата Аризона. Даже на самых быстрых суперкомпьютерах в мире изучение квантовых материалов — непростая задача.

«Если я вижу проблему со слишком большим количеством атомов, я говорю: «Я не могу это изучить», — сказал Ботана. «Двадцать лет назад несколько атомов могли показаться слишком большими». Но более мощные суперкомпьютеры позволяют физикам изучать более крупные и сложные системы, такие как никелаты, и добавлять инструменты, такие как динамическая теория среднего поля, которые могут лучше фиксировать квантовое поведение.

По словам Ботана, несмотря на то, что мы живем в золотой век открытий, область физики конденсированных сред все еще не имеет той репутации, которой она заслуживает.

«Ваш телефон или компьютер были бы невозможны без исследований в области физики конденсированных сред — от экрана до батареи и маленькой камеры. Общественности важно понять, что даже если это фундаментальное исследование, и даже если исследователи не Не зная, как это будет использоваться позже, этот тип исследования материалов имеет решающее значение».

Обнаружение сверхпроводимости в никелатах



Новости партнеров