Niedawne badania prowadzone przez naukowców z Uniwersytetu w Okakamie pozwoliły odkryć nowe informacje na temat nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego w miedzianach, ujawniając, że odkształcenie jednoosiowe może indukować porządek falowy o dużej gęstości ładunku o dużym zasięgu, dostarczając w ten sposób cennych informacji do opracowania bardziej wydajnych materiałów nadprzewodzących. Źródło: SciTechDaily.com
Naukowcy odkryli wywołany odkształceniem porządek fali ładunku dalekiego zasięgu w nadprzewodniku wysokotemperaturowym, co rzuca światło na leżące u jego podstaw mechanizmy.
Nadprzewodniki to materiały zdolne do przewodzenia prądu elektrycznego bez żadnego oporu, gdy zostaną schłodzone poniżej określonej temperatury zwanej temperaturą krytyczną. Materiały te są wykorzystywane w różnych zastosowaniach, takich jak sieci energetyczne, pociągi magnetyczne i sprzęt do obrazowania medycznego. Nadprzewodniki wysokotemperaturowe, które działają w wyższych temperaturach krytycznych niż konwencjonalne nadprzewodniki, są bardzo obiecujące w zakresie udoskonalenia tych technologii. Niemniej jednak podstawowe mechanizmy ich nadprzewodnictwa nie są jeszcze w pełni poznane.
Tlenki miedzi, czyli miedziany, klasa nadprzewodników wysokotemperaturowych, wykazują nadprzewodnictwo, gdy elektrony i dziury (wolne przestrzenie pozostawione przez elektrony) są wprowadzane do ich struktury krystalicznej w procesie zwanym domieszkowaniem. Co ciekawe, w stanie słabo domieszkowanym, w którym liczba elektronów wymaganych do nadprzewodnictwa jest mniejsza niż optymalna, otwiera się pseudoprzerwa – częściowa przerwa w strukturze elektronowej. Ta pseudoprzerwa jest uważana za potencjalny czynnik pochodzenia nadprzewodnictwa w tych materiałach.
A. Wyniki pokazują, że nadprzewodnictwo (SC) i CDW dalekiego zasięgu mogą współistnieć, podczas gdy rosnące odkształcenie tłumi nadprzewodnictwo i zwiększa porządek CDW. B. Przy odkształceniu 0,15% porządek CDW krótkiego zasięgu przechodzi w porządek CDW dalekiego zasięgu. Źródło: Shinji Kawasaki z Uniwersytetu Okama https://www.nature.com/articles/s41467-024-49225-w
Ponadto poprzednie badania ujawniły porządek fali gęstości ładunku dalekiego zasięgu (CDW) w niskodomieszkowanym reżimie miedzianów, który łamie symetrię kryształów tlenku miedzi (CuO2) samolot. CDW to powtarzający się falowy wzór elektronów, który wpływa na przewodność materiału. To złamanie symetrii jest znaczące, ponieważ wiadomo, że nadprzewodnictwo powstaje wewnątrz lub w pobliżu stanów złamanej symetrii. Co więcej, w nadprzewodniku miedzianowym na bazie bizmutu Bi2senior2-xLaXCuO6+δ (Bi2201) wykazano, że silne pola magnetyczne mogą indukować porządek CDW łamiący symetrię dalekiego zasięgu. Pomimo szeroko zakrojonych badań dokładna rola tych zjawisk w występowaniu nadprzewodnictwa w miedzianach wciąż nie jest znana.
W nowym badaniu zespół naukowców pod kierownictwem profesora nadzwyczajnego Shinjiego Kawasaki z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Okama w Japonii, stosując nowatorskie podejście, zbadał pochodzenie nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego w stanie pseudoprzerwy miedzianów. Prof. Kawasaki wyjaśnia: „W tym badaniu odkryliśmy istnienie uporządkowania CDW dalekiego zasięgu w optymalnie domieszkowanym Bi2201, wywołanego odkształceniem rozciągająco-ściskającym wywieranym przez nowatorską jednoosiową komórkę odkształceniową napędzaną piezoelektrycznie, która celowo łamie symetrię kryształu z CuO2 samolot.” Wyniki ich badań opublikowano w czasopiśmie Komunikacja przyrodnicza 14 czerwca 2024 r. W skład zespołu weszli pani Nao Tsukuda i profesor Guo-qing Zheng, również z Uniwersytetu Okama, oraz dr Chengtian Lin z Max-Planck-Institut fur Festkorperforschung w Niemczech.
Odkrycia i implikacje
Naukowcy wykorzystali technikę jądrowego rezonansu magnetycznego (NMR) do obserwacji zmian w strukturze elektronowej optymalnie domieszkowanego nadprzewodnika Bi2201 pod wpływem jednoosiowego naprężenia ściskającego i rozciągającego. Wyniki wykazały, że gdy odkształcenie przekraczało 0,15%, materiał ulegał istotnej transformacji, w wyniku której porządek CDW krótkiego zasięgu przechodził w porządek CDW dalekiego zasięgu. Co więcej, rosnące odkształcenie tłumiło nadprzewodnictwo, jednocześnie zwiększając porządek CDW, co wskazuje, że zarówno nadprzewodnictwo, jak i CDW dalekiego zasięgu mogą współistnieć. Wyniki te sugerują, że ukryty porządek CDW dalekiego zasięgu, nieograniczony do reżimu o niskim domieszkowaniu, istnieje w stanie pseudoprzerwy miedzianów, który staje się widoczny pod obciążeniem.
„To odkrycie podważa konwencjonalne przekonanie, że magnetyzm jest głównym czynnikiem wpływającym na tlenki miedzi i dostarcza cennych spostrzeżeń do konstruowania teoretycznych modeli nadprzewodnictwa” – zauważa prof. Kawasaki. Podkreślając potencjalne zastosowania tego badania, dodaje: „Wyniki tego badania są niezwykle obiecujące, jeśli chodzi o wyjaśnienie podstawowych mechanizmów nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego, torując drogę do opracowania bardziej praktycznych materiałów nadprzewodzących. Nadprzewodniki wysokotemperaturowe mają ogromny potencjał w zakresie bezstratnego przesyłania i magazynowania mocy, znacząco przyczyniając się do oszczędzania energii i dążenia do neutralności pod względem emisji dwutlenku węgla. Co więcej, zastosowanie nadprzewodników w technologii MRI może potencjalnie obniżyć koszty i zwiększyć dostępność zaawansowanego obrazowania medycznego”.
Ogólnie rzecz biorąc, badanie to stanowi znaczący krok w kierunku zrozumienia pochodzenia nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego, podkreślając znaczenie odkształcenia jednoosiowego jako cennego narzędzia do zrozumienia nadprzewodnictwa w innych podobnych nadprzewodnikach.
Odniesienie: „Wywołany odkształceniem porządek fal o dużej gęstości ładunku w optymalnie domieszkowanym nadprzewodniku Bi2Sr2−xLaxCuO6” autorstwa Shinji Kawasaki, Nao Tsukuda, Chengtian Lin i Guo-qing Zheng, 14 czerwca 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-49225-w
Badanie zostało sfinansowane przez JSPS KAKENHI oraz Fundację Nauki i Edukacji Murata (SK).
