Nowy materiał z falistymi warstwami atomów wykazuje niezwykłe właściwości nadprzewodzące

Fizycy i współpracownicy z MIT stworzyli nowy materiał o niezwykłych właściwościach nadprzewodzących i metalicznych dzięki falistym warstwom atomów o grubości zaledwie miliardowych części metra, które powtarzają się w kółko, tworząc makroskopową próbkę, którą można manipulować ręcznie. Duży rozmiar próbki znacznie ułatwia badanie jej zachowania kwantowego, czyli interakcji w skali atomowej, które dają początek jej właściwościom.

praca, zgłoszone W Naturajest również ważne, ponieważ materiał został zsyntetyzowany w drodze racjonalnego projektowania. Innymi słowy, przepis na materiał opiera się na spostrzeżeniach zespołu z zakresu materiałoznawstwa i chemii tej rodziny materiałów. Dzięki temu fizycy mają pewność, że uda im się stworzyć jeszcze więcej nowych materiałów o niezwykłych właściwościach.

Co więcej, chociaż istnieją inne materiały tworzące faliste struktury atomowe, zespół uważa, że ​​ten jest najdoskonalszy. Nanoskopowe warstwy fal są jednolite w całym krysztale, który składa się z tysięcy pofałdowanych warstw.

„Takie materiały wykraczają poza to, co konwencjonalnie uznalibyśmy za kryształ — obserwacja i zrozumienie, jakie nowe właściwości fizyczne mogą się ujawnić, to ekscytująca szansa” – mówi Joseph Checkelsky, starszy badacz tej pracy i profesor nadzwyczajny fizyki w MIT.

Materiały 2D

Materiały dwuwymiarowe, czyli składające się tylko z jednej lub kilku warstw atomów, przyciągają uwagę fizyków, ponieważ można nimi manipulować w celu wytworzenia materiałów o nowych, niezwykłych właściwościach. Na przykład obrót lub skręcenie jednej lub większej liczby warstw pod niewielkim kątem tworzy unikalny wzór zwany supersiecią mory, który może powodować zjawiska, w tym nadprzewodnictwo i niekonwencjonalny magnetyzm.

Jednak materiały mory są zarówno trudne w wykonaniu – należy je składać ręcznie – jak i trudne do zbadania ze względu na ich wymiary atomowe. Grupa Checkelsky’ego pracowała nad stworzeniem analogicznych materiałów, którymi można znacznie łatwiej manipulować.

„Zasadniczo mieszamy proszki materiałów, poddajemy je działaniu temperatur kilkuset stopni Celsjusza w piecu i polegamy na reakcjach chemicznych”, aby w naturalny sposób utworzyć makroskopowe kryształy o właściwościach podyktowanych interakcjami w skali atomowej. „To kluczowy przełom” – mówi Aravind Devarakonda, doktor MIT, obecnie adiunkt na Uniwersytecie Columbia. Devarakonda jest pierwszym autorem tego nurtu Natura papier.

W 2020 roku Checkelsky i wielu jego kolegów z bieżącej pracy ogłosili w czasopiśmie pierwszy taki materiał powstały w ten sposób Nauka. Artykułowi temu towarzyszył artykuł perspektywiczny autorstwa profesora Leslie M. Schoopa z Uniwersytetu Princeton.

W 2021 r. Checkelsky i współpracownicy opisali w Natura fizyka stojąca za tym, że ten konkretny materiał może wykazywać dwa różne rodzaje nadprzewodnictwa. Nowy falisty materiał jest drugim członkiem tej rodziny związków.

Jak ciasto warstwowe

Podobnie jak ciasto warstwowe, nowy materiał składa się z atomowo cienkiej metalicznej warstwy tantalu i siarki ułożonej na warstwie „przekładkowej” złożonej ze strontu, tantalu i siarki. Ta struktura powtarza się w tysiącach warstw, tworząc duży kryształ.

Devarakonda i współpracownicy uważają, że fale powstają w wyniku niedopasowania rozmiaru i struktury sieci krystalicznej każdej warstwy. Odpowiednio jedna warstwa – złożona z tantalu i siarki – zapina się na drugą, tworząc falę. Wyobraź sobie, że kładziesz kartkę legalnego papieru na kartce zwykłego papieru do drukarki. Aby papier prawniczy zmieścił się na zwykłym papierze, część papieru musiałaby się zapiąć w górę. Nowa struktura jest analogiczna, z tą różnicą, że dokument prawniczy jest „przypinany” w odstępach do papieru zwykłego, tworząc fale.

Niezwykłe właściwości

Z kolei te maleńkie fale kryją się za interesującymi właściwościami materiału. Na przykład w określonej temperaturze materiał może stać się nadprzewodzący, gdy elektrony przemieszczają się przez materiał bez oporu.

W tym przypadku „elektrony są odciskane przez modulacje strukturalne [waves]”, mówi Devarakonda. Innymi słowy, „nadprzewodnictwo również wychwytuje tę falistość. W niektórych częściach jest silny, a w innych osłabiony.”

Podobnie materiał ma niezwykłe właściwości metaliczne. Dzieje się tak dlatego, że elektronom znacznie łatwiej jest płynąć dolinami fali – lub doliną – niż w górę i ponad wzgórzami fali.

„Zatem nadaliśmy elektronom kierunkowość. Łatwiej im płynąć w jednym kierunku niż w drugim” – mówi Devarakonda. „Pokazaliśmy to, wprowadzając [wave] strukturze możemy radykalnie zmienić zachowanie warstw. Zawiesiliśmy flagę; teraz my i inni możemy korzystać z aplikacji. Stojąc na ramionach gigantów, stworzyliśmy zupełnie nową rodzinę materiałów. To zupełnie niezbadane terytorium, które przyniosło nieoczekiwane rezultaty, a niespodzianki zawsze sprawiają radość.”

Oprócz Devarakondy i Checkelsky’ego autorami tego artykułu są Alan Chen, absolwent Wydziału Elektrotechniki i Informatyki MIT; Shiang Fang, wcześniej pracownik naukowy ze stopniem doktora na Wydziale Fizyki MIT, obecnie w Google Deepmind; David Graf z Krajowego Laboratorium Wysokich Pól Magnetycznych; Markus Kriener z RIKEN Center for Emergent Matter Science w Japonii; Austin J. Akey z Uniwersytetu Harvarda; David C. Bell z Harvardu; i Takehito Suzuki z Uniwersytetu Toho.