Materiali cuprate imajo nihajoče proge, ki so lahko povezane z visokotemperaturno superprevodnostjo

Anonim

Znanstveniki v laboratoriju National Accelerator Laboratories (SLAC) in Univerzi Stanford so pokazali, da imajo superprevodniki na osnovi bakra ali skodelice - prvi razred materialov, ki naj bi prenašali električno energijo brez izgube pri relativno visokih temperaturah, vsebovali nihajoče črtice elektronskega naboja in spin, meander kot tekmovalci na grobem tleh.

Proge so območja, kjer se elektroni nabirajo, ustvarijo negativne polnitve ali poravnajo njihove vrtljaje, da ustvarijo magnetizem. Pred tem je bilo znano, da obstajajo v cupratih superprevodnikih pri temperaturah v bližini absolutne ničle, čeprav se v tem globokem hladu trakovi niso premikali in njihova natančna vloga v superprevodnosti - ali to povečujejo ali jo ščiti? - ni bilo jasno.

Zdaj so raziskovalci računsko prvič dokazali, da te črte obstajajo tudi pri visokih temperaturah, vendar so subtilne in nihajo na način, ki ga je mogoče odkriti samo z numeričnimi računalniškimi simulacijami natančnosti in lestvice, ki še ni bila opravljena. Znanstveniki so danes opisali njihovo študijo v znanosti.

"Obstaja razlog za domnevo, da so lahko pasovi polnjenja in centrifugiranja tesno povezani z nastankom visokotemperaturne superprevodnosti v teh materialih, ki so ga odkrili pred tridesetimi leti, vendar do zdaj ni razložen ali pojasnjen, " je povedal Edwin Huang, diplomirani fizik študent na Stanfordu in Stanfordski inštitut za materiale in energetiko (SIMES) pri SLAC.

"To odkritje nihajočih črt v realnem računalniškem modelu nam bo omogočilo preskus številnih teorij o tem, kako so črte povezane s superprevodnostjo, " je dejal Huang. "Menimo, da bodo naši rezultati koristni za znanstvenike, ki bodo eksperimentalno preučevali te materiale, pomagali pa bodo tudi razvijati in izpopolniti računalniške tehnike, ki so povezane z teorijo in eksperimenti, da bi potiskali polje naprej."

Rezultati veljajo tudi za druge nove materiale, je dejal direktor SIMES-a Thomas Devereaux. "Materiali, ki spontano razvijajo tovrstno neenotno strukturo, so precej običajni, vključno z magneti in ferelektriki, " je dejal. "Lahko ga celo mislimo kot podpis" kvantnih "materialov, katerih presenetljive lastnosti proizvajajo elektroni, ki sodelujejo na nepričakovan način. Naši numerični rezultati kažejo, da je ta pojav običajno povezan s močnimi interakcijami med elektronskimi dajatvami in spinom."

Skrivnostni fenomen

V konvencionalnih električnih vodnikih se tok prenese z elektroni, ki delujejo posamično. Toda v superprevodnikih se elektroni povežejo za prenos toka s praktično brez izgube.

75 let po odkritju so vsi znani superprevodniki delali le pri temperaturah, ki so blizu absolutni ničli, kar omejuje njihovo uporabo.

To se je spremenilo leta 1986, ko so znanstveniki ugotovili, da bi cuprates lahko superprevodnici pri veliko višjih (čeprav še vedno precej hladnih) temperaturah. Dejstvo je, da so nekatere spojine kuprata superprevodne pri temperaturah, višjih od 100 kelvinov, ali minus 173 stopinj Celzija, kar omogoča razvoj superprevodnih tehnologij, ki jih je mogoče ohladiti s tekočim dušikom.

Toda raziskovalci so še vedno daleč od svojega cilja, da najdejo superprevodnike, ki delujejo blizu sobne temperature za visoko učinkovite elektrarne, maglevove vlake in druge aplikacije, ki bi lahko imele velik vpliv na družbo. Brez temeljnega razumevanja delovanja visokotemperaturnih superprevodnikov je napredek počasen.

Računalniško modeliranje je kritično orodje za doseganje tega razumevanja. Modeli so množice matematičnih enačb, ki temeljijo na fiziki, ki jih teoretiki ustvarijo in nenehno izboljšujejo, da simulirajo vedenje materiala z uporabo računalniških algoritmov. Preverjajo svoje modele pred opazovanjem in eksperimentalnimi rezultati, da se prepričajo, da so na pravi poti.

V tem primeru je ekipa modelirala elektronsko vedenje in medsebojne vplive v eni od bakrovih oksidnih slojev bakra, kjer se zgodi zanimiva fizika, je povedal znanstvenik Brian Moritz. Izračuni so bili izvedeni na Stanfordovem superkompiteracijskem grozdu podjetja Sherlock v SLAC-u in pri Nacionalnem znanstvenem računalniškem centru za raziskave na področju energije v Berkeleyju.

Rezultati so bili v dobrimi soglasju s podatki iz eksperimentov o nevtronskem razprševanju na različnih skavratih, so povedali znanstveniki in potrdili, da njihove simulacije natančno zajamejo elektronsko fiziko teh materialov.

Natančnejši model

To je prvič, da je visokotemperaturno vedenje pokrovov simulirano z realističnim modelom, ki pokriva dovolj veliko površino materiala, da bi videl nihajoče črtice, je dejal Huang. Ta večji obseg prav tako naredi natančnejše izračune.

"Bilo je dobro ravnovesje, ki smo ga morali udariti, " je dejal. "To so izjemno računalniško zahtevni izračuni, vendar če simulirate obnašanje manjših področij, ne boste mogli videti nobenih črt, ki se pojavijo. To je bila glavna omejitev prejšnjih študij."

Simulacije kažejo, da se črtke pojavljajo pri temperaturah do 600 stopinj Celzija in v številnih razmerah dopinga, kjer so spojine dodane materialu, da bi ga prilagodili elektronskemu vedenju, zato se zdi, da so univerzalna značilnost kupratnih superprevodnikov, raziskovalci rekel.

"Zamisel o nihajočih črtah v cuprates ni nova, vendar je že več let sporna tema", je dejal Huang. "Tukaj je novo, da lahko z uporabo nepristranskega računanja podpiramo njihov obstoj na realnem modelu teh materialov."

Ena stvar, ki jo študija ne naredi, je dodal, je odgovoriti na vprašanje, ali in kako nihajoče črtice zaznajo v superprevodnost: "To je smer, v katero želimo iti proti."

menu
menu