Các cặp electron (hoặc ‘lỗ’) có thể tồn tại trong nỗ lực tiêu diệt tính siêu dẫn

Công trình này cung cấp bằng chứng gián tiếp cho thấy sự sắp xếp các điện tích và từ tính theo thứ tự sọc là tốt cho việc hình thành các cặp mang điện tích cần thiết cho tính siêu dẫn để xuất hiện.

Tranquada và các đồng tác giả từ Phòng thí nghiệm Brookhaven và Phòng thí nghiệm từ trường quốc gia tại Đại học bang Florida, nơi một số công việc đã được thực hiện mô tả những phát hiện của họ trong một bài báo vừa được công bố trên tạp chí Science Advances . Một bài báo liên quan trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia của đồng tác giả Alexei Tsvelik, một nhà lý thuyết tại Phòng thí nghiệm Brookhaven, cung cấp cái nhìn sâu sắc về nền tảng lý thuyết cho các quan sát.

Các nhà khoa học đang nghiên cứu một công thức đặc biệt của lanthanum barium oxide oxide (LBCO) thể hiện một dạng siêu dẫn bất thường ở nhiệt độ 40 Kelvin (-233 độ C). Đó là tương đối ấm áp trong lĩnh vực siêu dẫn. Các chất siêu dẫn thông thường phải được làm mát bằng helium lỏng đến nhiệt độ gần -273 ° C (0 Kelvin hoặc 0 tuyệt đối) để mang dòng điện mà không mất năng lượng. Hiểu được cơ chế đằng sau chất siêu dẫn “nhiệt độ cao” như vậy có thể hướng dẫn việc phát hiện hoặc thiết kế chiến lược các chất siêu dẫn hoạt động ở nhiệt độ cao hơn.

Về nguyên tắc, các chất siêu dẫn như vậy có thể cải thiện cơ sở hạ tầng năng lượng điện với các đường truyền tải điện năng lượng bằng 0 hoặc được sử dụng trong nam châm điện mạnh cho các ứng dụng như chụp cộng hưởng từ (MRI) mà không cần làm mát tốn kém.

Bí ẩn của Tc cao

LBCO là chất siêu dẫn nhiệt độ cao (Tc) đầu tiên được phát hiện, khoảng 33 năm trước. Nó bao gồm các lớp oxit đồng được phân tách bằng các lớp bao gồm lanthanum và barium. Barium đóng góp ít electron hơn lanthanum cho các lớp oxit đồng, do đó, ở một tỷ lệ cụ thể, sự mất cân bằng sẽ để lại chỗ trống của các electron, được gọi là lỗ trống trong các mặt phẳng cuprate. Những lỗ trống đó có thể đóng vai trò là các hạt mang điện và ghép đôi, giống như các electron và ở nhiệt độ dưới 30K, dòng điện có thể di chuyển qua vật liệu không có điện trở trong ba chiều – cả bên trong và giữa các lớp.

Một đặc điểm kỳ lạ của vật liệu này là, trong các lớp oxit đồng, ở nồng độ bari cụ thể, các lỗ phân tách thành các “sọc” xen kẽ với các khu vực liên kết từ tính. Kể từ khám phá này vào năm 1995, đã có nhiều tranh luận về vai trò của các sọc này trong việc gây ra hoặc ức chế tính siêu dẫn.

Năm 2007, Tranquada và nhóm của ông đã phát hiện ra dạng siêu dẫn bất thường nhất trong vật liệu này ở nhiệt độ cao hơn 40K. Nếu họ thay đổi lượng bari chỉ dưới mức cho phép siêu dẫn 3-D, họ đã quan sát thấy tính siêu dẫn 2-D – nghĩa là chỉ trong các lớp oxit đồng chứ không phải giữa chúng.

Các lớp siêu dẫn dường như tách rời nhau. Dòng điện vẫn có thể chảy mà không mất theo bất kỳ hướng nào trong các lớp, nhưng có điện trở suất theo hướng vuông góc với các lớp. Quan sát này được hiểu là một dấu hiệu cho thấy các cặp sóng mang điện tích đang hình thành “sóng mật độ cặp” với các hướng vuông góc với nhau trong các lớp lân cận. “Đó là lý do tại sao các cặp không thể nhảy từ lớp này sang lớp khác. Nó sẽ giống như cố gắng hợp nhất vào giao thông di chuyển theo hướng vuông góc. Họ không thể hợp nhất”.

Các sọc siêu dẫn rất khó để giết

Trong thí nghiệm mới, các nhà khoa học nghiên cứu sâu hơn về nguồn gốc của tính siêu dẫn bất thường trong công thức đặc biệt của LBCO bằng cách cố gắng phá hủy nó. “Thường thì chúng tôi kiểm tra mọi thứ bằng cách đẩy chúng đến thất bại,” Tranquada nói. Phương pháp hủy diệt của họ là phơi vật liệu ra các từ trường cực mạnh được tạo ra tại bang Florida.

Khi trường bên ngoài trở nên lớn hơn, dòng điện trong chất siêu dẫn ngày càng lớn hơn để cố gắng loại bỏ từ trường. Nhưng có một giới hạn cho dòng điện có thể chảy mà không có điện trở. Tìm giới hạn đó sẽ cho chúng ta biết điều gì đó về chất siêu dẫn mạnh đến mức nào.

Ví dụ, nếu các sọc của trật tự điện tích và từ tính trong LBCO có hại cho tính siêu dẫn, thì một từ trường khiêm tốn sẽ phá hủy nó. Các nhà khoa học nghĩ rằng có thể điện tích sẽ bị đóng băng trong các sọc để vật liệu trở thành chất cách điện.

Nhưng siêu dẫn hóa ra mạnh hơn rất nhiều.

Sử dụng các tinh thể LBCO hoàn hảo được phát triển bởi nhà vật lý Brook Brook Genda Gu, Yangmu Li, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ làm việc trong phòng thí nghiệm của Tranquada, đã thực hiện các phép đo về độ kháng và độ dẫn của vật liệu trong các điều kiện khác nhau tại Phòng thí nghiệm từ trường quốc gia. Ở nhiệt độ chỉ trên 0 tuyệt đối không có từ trường, vật liệu thể hiện tính siêu dẫn 3-D đầy đủ. Giữ nhiệt độ không đổi, các nhà khoa học đã phải tăng cường từ trường bên ngoài một cách đáng kể để làm cho chất siêu dẫn 3 chiều biến mất. Đáng ngạc nhiên hơn nữa, khi chúng tăng cường độ trường hơn nữa, điện trở trong các mặt phẳng ôxít đồng lại giảm xuống 0 lần nữa!

Nhóm nghiên cứu đã thấy chất siêu dẫn 2 chiều tương tự mà họ đã phát hiện ra ở mức 40K.

Tăng cường lĩnh vực tiếp tục phá hủy tính siêu dẫn 2 chiều nhưng nó không bao giờ phá hủy hoàn toàn khả năng mang dòng điện thông thường của vật liệu.

Dấu hiệu của cặp dai dẳng?

Các phép đo bổ sung được thực hiện dưới từ trường cao nhất cho thấy các hạt mang điện trong vật liệu, mặc dù không còn siêu dẫn, vẫn có thể tồn tại dưới dạng cặp, Tranquada nói.

Vật liệu này trở thành một kim loại không còn làm chệch dòng chảy. Bất cứ khi nào bạn có dòng điện trong từ trường, bạn sẽ mong đợi một phần lệch của điện tích – electron hoặc lỗ trống – theo hướng vuông góc với dòng điện [cái mà các nhà khoa học gọi là hiệu ứng Hall]. Nhưng đó không phải là điều xảy ra. không bị lệch. 

Nói cách khác, ngay cả sau khi siêu dẫn bị phá hủy, vật liệu vẫn giữ một trong những chữ ký quan trọng của “sóng mật độ cặp”, đặc trưng của trạng thái siêu dẫn.

Lý thuyết của các nhà khoa học liên quan đến sự hiện diện của các dải giàu điện tích với sự tồn tại của các khoảnh khắc từ tính giữa chúng với sự hình thành trạng thái sóng mật độ cặp. Việc quan sát không làm lệch điện tích ở trường cao cho thấy từ trường có thể phá hủy sự kết hợp cần thiết cho tính siêu dẫn mà không nhất thiết phải phá hủy sóng mật độ cặp.

Cùng với những quan sát này cung cấp bằng chứng bổ sung rằng các sọc là tốt cho việc ghép đôi. Chúng ta thấy chất siêu dẫn 2 chiều xuất hiện trở lại ở trường cao và sau đó, ở trường cao hơn nữa, khi chúng ta mất chất siêu dẫn 2 chiều, vật liệu không trở thành chất cách điện. Vẫn còn dòng chảy. chuyển động mạch lạc của các cặp giữa các sọc, nhưng chúng ta vẫn có thể có các cặp trong các sọc có thể di chuyển không mạch lạc và tạo cho chúng ta một hành vi kim loại khác thường. 

Công trình này được tài trợ bởi Văn phòng Khoa học DOE. Phòng thí nghiệm từ trường quốc gia tại Đại học bang Florida được hỗ trợ bởi Quỹ khoa học quốc gia.

Nguồn truyện:

Tài liệu được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm quốc gia DOE / Brookhaven . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.

Tạp chí tham khảo :

1. Yangmu Li, J. Terzic, PG Baity, Dragana Popović, GD Gu, Qiang Li, AM Tsvelik, JM Tranquada. Điều chỉnh từ chất siêu dẫn không thành công đến chất cách điện bị hỏng với từ trường . Tiến bộ khoa học , 2019; 5 (6): eaav7686 DOI: 10.1126 / sciav.aav7686
2. AM Tsvelik. Quá trình chuyển đổi kim loại siêu dẫn trong chất siêu dẫn ghép cặp tần số lẻ trong một từ trường . Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia , 2019; 201902928 DOI: 10.1073 / pnas.1902928116