Новий прорив у фізиці допоможе створити надпровідники кімнатної температури

Що це дає?

Прорив, здійснений під керівництвом Джошуа П. Вейкфілда (Joshua P. Wakefield) та його колег, полягає у створенні кристала на основі кальцієво-нікелевого сплаву (CaNi2), що виявляє тривимірну плоску провідну зону в структурі кристалічної решітки, яка нагадує японське мистецтво плетіння кошиків, відоме під назвою кагоме.

А тим часом Автономна лабораторія досягла прориву в синтезі квантових точок, випередивши людські зусилля

Особливістю цього кристалу є те, що в його структурі є тривимірна пласка провідна зона. Це означає, що в певних ділянках кристала електрони можуть рухатися у спосіб, відмінний від звичайної поведінки електронів у матеріалах. Ці унікальні області, які називаються плоскими зонами провідності, мають цікаві квантові властивості з контрольованою енергією, які можуть впливати на те, як електрони взаємодіють один з одним і створюють нові фази матерії.

Цей прорив ґрунтується на попередніх експериментах, в яких науковці створювали подібні зони провідності в різних типах структур. Дослідники вже намагалися зробити щось подібне раніше, але зіткнулися з проблемами, оскільки електрони могли легко вирватися з третього виміру в кристалі.

Тепер дослідники успішно показали, що ці особливі електронні смуги можуть існувати в тривимірних кристалах з візерунком кагоме.

По суті це відкриття дає нові можливості для розуміння та маніпулювання поведінкою електронів у матеріалах. Це можна порівняти з виявленням прихованого шляху в лабіринті, який може привести до прогресу у створенні нових матеріалів з унікальними електронними властивостями.

Як цього вдалося досягнути

Науковці створили кристали, використовуючи суміш кальцію та нікелю. Ці кристали мають специфічну структуру, схожу на візерунок у плетеному кошику.

Структура тривимірної кристалічної решітки кагоме / Фото Nature

Щоб зрозуміти, як вони працюють, команда використовувала метод фотоемісійної спектроскопії з кутовою роздільною здатністю для вимірювання енергії електронів всередині кристалів. Вони вони змогли виявити тривимірну пласку провідну зону в кристалічній структурі.

Пласкі електронні зони в кристалі CaNi2/ Фото Nature

Проблема у тому, що ці електронні смуги не перебувають на вищому енергетичному рівні Фермі, на якому вони могли б бути. Це ускладнює їхній вплив на основні властивості кристала на нижчих енергетичних рівнях.

Щоб перевірити, чи можна це змінити, дослідники провели експеримент. Вони замінили частину нікелю в кристалах іншими атомами – родієм і рутенієм, залишивши при цьому кристалічну структуру незмінною. Ця зміна перемістила електронні зони ближче до рівня Фермі, і це мало великий вплив на кристал.

Модифікований кристал став надпровідником, тобто зміг проводити електрику без жодного опору при температурі 6,2 кельвіна. Це суттєвий крок до розуміння і контролю поведінки цих матеріалів, які потенційно можна використати для покращення сучасних та створення нових технологій.

Читайте на сайті Фізики досягли контролю фотоіндукованої надпровідності на мікрочипі

Як це використають на практиці

Цей прорив обіцяє поглибити наше розуміння електронної кореляції, електрон-фононної взаємодії та плоских заборонених зон у матеріалах. Водночас дослідники наголошують на необхідності подальшого вивчення та налаштування таких структур.

Кінцева мета – пролити світло на взаємодію цих факторів, що потенційно може призвести до створення надпровідників, які зберігатимуть свої властивості за вищих температур. Пошуки надпровідників, які б працювали при кімнатній температурі останнім часом зазнали невдач, що акцентує на додаткових зусиллях в цій передовій галузі досліджень.

Надпровідники, які здатні працювати за кімнатних температур потрібні нам для того, щоб удосконалити наші технології та устаткування. Розробка такого надпровідника спростить створення квантових комп'ютерів та допоможе ще більше мініатюризувати звичну для нас техніку, таку, як домашні комп'ютери та смартфони, і зробити її більш потужною.