Elektronické orbitály mohou mít klíč k sjednocení koncepce vysokoteplotní supravodivosti

Groups of the Periodic Table (Smět 2019).

Anonim

Tým vědců nalezl důkazy pro nový typ párování elektronů, který může rozšířit hledání nových vysokoteplotních supravodičů. Závěry, popsané v časopise Science, poskytují základ pro sjednocující popis toho, jak radikálně odlišné "rodičovské" materiály - izolační sloučeniny na bázi mědi a sloučeniny na bázi kovu na bázi železa mohou vyvinout schopnost přenášet elektrický proud bez nárazu vysoké teploty.

Podle vědců jsou odlišné elektronické vlastnosti materiálů v podstatě klíčem ke shodě.

"Vědci si mysleli, že vzhledem k tomu, že výchozí bod pro supravodivost v těchto dvou třídách materiálů je tak odlišný, potřebujete různé teoretické přístupy k jejich popisu, " řekl JC Séamus Davis, fyzik na Národní laboratoři Brookhavenského ministerstva energetiky (DOE) a Cornell University, která vedla tým experimentálních vědců. "Místo toho jsme byli motivováni k tomu, abychom prozkoumali, co je univerzální o těchto dvou systémech. V ideálním případě by mělo existovat jen jedno vysvětlení."

Vědci obecně chápali, že mechanismus supravodivosti sloučenin oxidu mědi závisí na schopnosti elektronů na přilehlých atomech mědi spárovat. Každý atom mědi má jediný, nepárový elektron v jeho nejvzdálenějším energetickém skořápce nebo orbitálním. Zatímco nejvzdálenější elektrony na přilehlých atomech mědi vzájemně silně interagují, obvykle zůstávají uzamčené na místě, uvízly v "kvantově mechanickém dopravní zácpě", kam se nikam nepodařilo, řekl Davis. Bez pohybu elektronů se materiál chová jako "silně korelovaný" elektrický izolátor.

Odstranění některých elektronů, které se nacházejí na atomu mědi, vede k uvolnění elektronů, které jsou známé jako otvory. Tím se zmírní kvantová dopravní zácpa, takže když se materiál ochladí na určitou teplotu, opačně vyrovnaný elektrony (magnetické partneři, kde "spin" jednoho elektronu ukazuje nahoru a sousedící bod směřuje dolů) vytvářejí dvojice a pak se uvolní zip přes materiál neomezený - supravodič.

Atomové atomy železa, které mají jádro s menším kladným nábojem než měď, působí na cirkulující elektrony méně. Takže namísto plnění elektronových orbitálů zůstávají elektrony v několika vnějších orbitálních energích nepárových, ale vzájemně sladěné a elektronicky aktivní. Zarovnání nepálených elektronů v několika orbitálech dává jednoduché železo své silné magnetické a kovové vlastnosti, takže je snadné pochopit, proč jsou sloučeniny železa dobrými vodiči. Není však zcela jasné, jak se mohou při vysokých teplotách vyskytovat supravodiče s nulovou odolností, aniž by došlo k silným interakcím, které vytvářejí korelovatelný izolační stav v materiálech na bázi mědi.

Abychom se vypořádali s tímto hádankou, teoretickí fyzici začali uvažovat o možnosti, že nepárové elektrony v různých orbitech železa by mohly mít velmi odlišné role. Snad nepřepjaté elektrony v jednom konkrétním orbitálu by se mohly spárovat s elektrony v téže orbitální poloze na sousedním atomu, aby nesly nadproud, zatímco elektrony v jiných orbitálech poskytnou izolační, magnetické a kovové vlastnosti.

"Výzvou je najít způsob, jak vidět, že některé elektrony jsou supravodivé a některé jsou izolační ve stejném krystalu, " řekl Davis.

Výzkum zveřejněný ve Vědě poskytuje první přímý důkaz, že se uskutečňuje takové "orbitálně selektivní" párování elektronů.

Teoretický tým pro tento projekt - Andreas Kreisel (University of Leipzig), Peter Hirschfeld (University of Florida) a Brian Anderson (Univerzita v Kodani) - vymezily elektronické podpisy, které by měly být spojené s každou orbitální částí atomů železa. Experimentalisté Peter Sprau a Andrey Kostin (oba Brookhaven Lab a Cornell) použili skenovací tunelovací mikroskop v Centru pro vznikající supravodivost - DOE Energy Frontier Research Centre v Brookhavenově laboratoři - k měření energie a hybnosti elektronů v selenidu železa vzorky, které byly syntetizovány Anna Bohmerem a Paulem Canfieldem v Ames Laboratory DOE. Porovnání měření s předpokládanými elektronickými podpisy umožnilo vědcům identifikovat, které elektrony byly spojeny s každou orbitální.

S těmito informacemi: "Můžeme měřit vazebnou energii a hybnost elektronů v" párech Cooper ", které jsou zodpovědné za supravodivost a identifikovat, jaké energetické hybnostní vlastnosti mají - od které jsou orbitální, " řekl Davis.

"Byli jsme schopni ukázat, že téměř všechny elektrony v Cooperových párech v selenidu železa pocházejí z obzvláště nižší orbitální energie (d_yz orbital), " řekl Davis. Závěry také naznačují, že elektron v nejvzdálenějším orbitálním železa v selenidu železa vykazuje prakticky izolační vlastnosti, stejně jako u sloučenin oxidu mědi.

"Vzhledem k tomu, že selenid železa obvykle vykazuje dobrou kovovou vodivost, jak by někdo věděl, že elektrony v této orbitální síti působí tak, jak jsou ve vzájemně propojených izolátorech?" Tento silně se ovlivňující a prakticky izolační stav se skrýval v jasném pohledu! " řekl.

S tímto vnějším orbitálním izolačním stavem má sloučenina železa všechny stejné požadavky na supravodivost, které oxidy mědi dělají - silnou magnetickou interakci (párování nahoru / dolů) téměř lokalizovaných elektronů a kovový stav, který dovoluje pohyb těchto dvojic. Velkým rozdílem je, že v selenidu železa jsou tyto příspěvky pocházet z různých elektronů ve třech samostatných aktivních orbitálech, namísto jediného elektronu v jedné aktivní orbitální mědi.

"V železe máte vodivost zdarma a máte magnetismus zdarma, ale je to založeno na jiném elektronu, oba existují ve stejném atomu, " řekl Davis. Takže jakmile budete mít páry Cooper, zdá se, že není třeba přidávat otvory, aby proud protékal.

Tato realizace může rozšířit hledání nových supravodičů, které mohou potenciálně pracovat za teplejších podmínek. Takové vyšší supravodiče s vysokou teplotou by byly praktičtější pro aplikace v oblasti reálného světa, které šetří energii, jako jsou elektrické vedení nebo zařízení pro uchovávání energie.

"Namísto toho, abychom hledali nové jednoelektronické antiferomagnetické izolátory, jako je oxid mědi, abychom vyrobili vysokoteplotní supravodiče, možná bychom měli hledat nové vysoce magnetické kovové materiály, které mají vlastnosti jako železo, ale v orbitálně selektivním uspořádání, " řekl Davis. "To otevírá svět vědy o materiálech mnoha novým typům materiálů, které by mohly být supravodivy při vysokých teplotách."

menu
menu