Katkılı 1D Cuprate'de Olağandışı Güçlü Elektron Çekimi

Bir çizim, 1D bakır oksit zinciri veya kuprat – nispeten yüksek sıcaklıklarda elektrik akımını kayıpsız ileten bir malzeme içindeki komşu kafes bölgelerindeki elektronlar arasındaki beklenmedik derecede güçlü bir çekimi göstermektedir. Stanford, SLAC ve Clemson tarafından yürütülen bir araştırma, serbest elektronlarının yoğunluğunu artırmak için “katkılı” olan 1 boyutlu bir kuprat zincirindeki bu alışılmadık derecede güçlü “en yakın komşu” cazibesini keşfetti. Cazibelerin beklenmedik gücünün, malzemenin atomik kafesindeki doğal titreşimlerle etkileşimlerden kaynaklanabileceğini ve bunun kuprat süper iletkenliğinde rol oynayabileceğini söylediler. Kredi bilgileri: SCI-HUA

Kimyasal olarak kontrol edilen zincirler, elektronlar arasında süperiletkenlerin nispeten yüksek sıcaklıklarda kayıp olmadan elektrik akımını taşımasına yardımcı olabilecek ultra güçlü bir çekim olduğunu ortaya koyuyor.

Bilim adamları geleneksel olmayan süper iletkenleri (nispeten yüksek sıcaklıklarda sıfır kayıpla elektriği ileten karmaşık malzemeler) incelediklerinde, neler olup bittiğini anlamak için genellikle basitleştirilmiş modellere güvenirler.

Araştırmacılar, bu kuantum malzemelerinin yeteneklerini, bir tür elektron çorbası oluşturmak için güçleri birleştiren elektronlardan aldığını biliyorlar. Ancak bu süreci tüm karmaşıklığı içinde modellemek, bugün herkesin hayal edebileceğinden çok daha fazla zaman ve bilgi işlem gücü gerektirecektir. Bu nedenle, geleneksel olmayan süper iletkenlerin temel bir sınıfını (bakır oksitler veya kupratlar) anlamak için araştırmacılar, basitlik için, malzemenin bir atom dizisi olarak sadece bir boyutta var olduğu teorik bir model yarattılar. Laboratuarda bu tek boyutlu kupratları yaptılar ve davranışlarının teoriyle oldukça uyumlu olduğunu gördüler.

Ne yazık ki, bu 1D atomik zincirlerde bir şey eksikti: Doping yapılamazlardı, hareket etmekte serbest olan elektronların sayısını değiştirmek için bazı atomların başkaları tarafından değiştirildiği bir süreç. Doping, bilim adamlarının bu gibi malzemelerin davranışını değiştirmek için ayarlayabilecekleri birkaç faktörden biridir ve onları süper iletken hale getirmenin kritik bir parçasıdır.

Titreşimler 1D Cuprate Zinciriyle Etkileşime Giriyor

SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı ve Stanford ve Clemson üniversitelerindeki araştırmacılar tarafından yürütülen bir çalışmada elektronlarının bir kısmını serbest bırakmak için “katkılı” olan 1D bakır oksit veya kuprat zincirlerinin bir örneği. Bakır atomları siyah ve oksijen atomları mor renktedir. Kırmızı yaylar, atomik kafesi sallayan ve kafesteki komşu elektronlar arasında beklenmedik şekilde güçlü bir çekim (gösterilmemiştir) oluşturmaya yardımcı olabilecek doğal titreşimleri temsil eder. Bu “en yakın komşu” çekim, alışılmamış süper iletkenlikte – elektrik akımını nispeten yüksek sıcaklıklarda kayıpsız iletme yeteneğinde – rol oynayabilir. Kredi: Greg Stewart/SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı

Şimdi, Enerji Bakanlığı’nın SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı ve Stanford ve Clemson üniversitelerindeki bilim adamları tarafından yürütülen bir çalışma, katkılanabilen ilk 1 boyutlu kuprat malzemesini sentezledi. Katkılı malzemeye ilişkin analizleri, kupratların süperiletkenliği nasıl elde ettiğine dair önerilen en belirgin modelin, önemli bir bileşenin eksik olduğunu gösteriyor: malzemenin atomik yapısındaki veya kafesindeki komşu elektronlar arasında beklenmedik şekilde güçlü bir çekim. Bu çekiciliğin, doğal kafes titreşimleriyle etkileşimlerin sonucu olabileceğini söylediler.

Ekip bulgularını yakın zamanda dergide bildirdi Bilim.

Stanford Profesörü ve Stanford Malzeme ve Enerji Bilimleri Enstitüsü (SIMES) araştırmacısı Zhi-Xun Shen, “Tek boyutlu kuprat sistemlerini kontrol edilebilir bir şekilde doping yapamamak, bu malzemeleri anlamak için yirmi yıldan fazla bir süredir önemli bir engel olmuştur” dedi. SLAC’da.

“Şimdi bunu yaptığımıza göre,” dedi, “deneylerimiz mevcut modelimizin gerçek malzemede bulunan çok önemli bir olguyu gözden kaçırdığını gösteriyor.”

Shen’in laboratuvarında çalışmanın deneysel bölümünü yöneten doktora sonrası araştırmacı Zhuoyu Chen, araştırmanın, ekibin bir 3B malzemeye gömülü 1B zincirler yapmak ve bunları doğrudan SLAC’ın Stanford Synchrotron’daki bir odaya taşımak için geliştirdiği bir sistemle mümkün olduğunu söyledi. Güçlü bir X-ışını ışını ile analiz için Radyasyon Işık Kaynağı (SSRL).

“Bu benzersiz bir kurulum” dedi ve “bu çok ince etkileri görmek için ihtiyaç duyduğumuz yüksek kaliteli verilere ulaşmak için vazgeçilmez.”

Teoride şebekelerden zincirlere

Bu karmaşık malzemeleri simüle etmek için kullanılan baskın model, Hubbard modeli olarak bilinir. 2D versiyonunda, mümkün olan en basit atomlardan oluşan düz, eşit aralıklı bir ızgaraya dayanmaktadır.

Ancak, bu çalışmanın teorik bölümünü denetleyen bir SLAC ve Stanford profesörü ve SIMES araştırmacısı olan Thomas Devereaux, bu temel 2D ızgaranın günümüz bilgisayarları ve algoritmalarının üstesinden gelemeyeceği kadar karmaşık olduğunu söyledi. Modelin malzemenin fiziksel özelliklerine ilişkin hesaplamalarının doğru olduğundan emin olmanın kabul görmüş bir yolu yoktur, bu nedenle deneysel sonuçlarla eşleşmezlerse, hesaplamaların mı yoksa teorik modelin mi yanlış gittiğini söylemek imkansızdır.

Uzmanlaşmış Synchrotron Beamline, Elektron Davranışının Detaylarını Ortaya Çıkardı

SLAC, Stanford ve Clemson’daki araştırmacılar, katkılı 1D bakır oksit zincirlerinden elektronları çıkarmak ve yönlerini ve enerjilerini ölçmek için burada gösterilen açı çözümlü fotoemisyon spektroskopisi (ARPES) adı verilen bir teknik kullandılar. Bu onlara malzemedeki elektronların nasıl davrandığına dair ayrıntılı ve hassas bir resim verdi. Çalışma, SLAC’ın Stanford Synchrotron Radyasyon Işık Kaynağı, SSRL’de özel olarak tasarlanmış bir ışın hattında yapıldı. Kredi: Zhuoyu Chen/Stanford Üniversitesi

Bu sorunu çözmek için bilim adamları Hubbard modelini mümkün olan en basit kuprat kafesinin 1 boyutlu zincirlerine uyguladılar – bir dizi bakır ve oksijen atomu. Modelin bu 1B versiyonu, katkısız 1B zincirlerden yapılmış malzemelerdeki elektronların toplu davranışını doğru bir şekilde hesaplayabilir ve yakalayabilir. Ama şimdiye kadar, test etmenin bir yolu yoktu. kesinlik zincirlerin katkılı versiyonları için tahminlerinden, çünkü kimse onları yirmi yıldan fazla denemeye rağmen laboratuvarda yapamadı.

Chen, “En büyük başarımız bu katkılı zincirleri sentezlemekti” dedi. “Onları çok geniş bir aralıkta uyuşturabildik ve gözlemlediğimiz şeyi saptamak için sistematik veriler elde ettik.”

Bir seferde bir atomik katman

Chen ve meslektaşları katkılı 1D zincirleri yapmak için, baryum stronsiyum bakır oksit (BSCO) olarak bilinen, sadece birkaç atomik katman kalınlığında bir kuprat malzemesi filmini özel olarak tasarlanmış SSRL ışın hattındaki kapalı bir oda içindeki destekleyici bir yüzeye püskürttüler. Filmdeki ve yüzeydeki kafeslerin şekli, 3D BSCO malzemesine gömülü 1D bakır ve oksijen zincirleri oluşturacak şekilde dizildi.

Chen, zincirleri, atomik kafeslerine oksijen atomları ekleyen ozon ve ısıya maruz bırakarak katkı sağladıklarını söyledi. Her oksijen atom zincirden bir elektron çekti ve bu serbest kalan elektronlar daha hareketli hale geldi. Bu serbest akışlı elektronların milyonlarcası bir araya geldiğinde, süperiletkenliğin temeli olan kolektif durumu yaratabilirler.

Daha sonra araştırmacılar, açı çözümlü fotoemisyon spektroskopisi veya ARPES ile analiz için zincirlerini ışın çizgisinin başka bir bölümüne yerleştirdiler. Bu teknik, zincirlerden elektronları çıkardı ve yönlerini ve enerjilerini ölçerek bilim adamlarına malzemedeki elektronların nasıl davrandığına dair ayrıntılı ve hassas bir resim verdi.

Şaşırtıcı derecede güçlü cazibe merkezleri

Çalışmanın teori tarafında çalışan Clemson Üniversitesi’nde yardımcı doçent olan Yao Wang, analizlerinin katkılı 1D malzemede, komşu kafes bölgelerindeki meslektaşlarına elektronların çekiciliğinin Hubbard modelinin tahmininden 10 kat daha güçlü olduğunu gösterdi. .

Araştırma ekibi, bu yüksek düzeydeki “en yakın komşu” cazibesinin, atom kafesini sallayan doğal titreşimler olan fononlarla etkileşimlerden kaynaklanabileceğini öne sürdü. Fononların geleneksel süperiletkenlikte bir rol oynadığı bilinmektedir ve kesin olarak kanıtlanmamış olmasına rağmen, cupratlar gibi malzemelerde çok daha yüksek sıcaklıklarda meydana gelen geleneksel olmayan süperiletkenlikte farklı bir şekilde yer alabileceklerine dair göstergeler vardır.

Bilim adamları, elektronlar arasındaki bu güçlü en yakın komşu çekiminin tüm cupratlarda var olduğunu ve Hubbard modelinin ve akrabasının 2D versiyonlarında süper iletkenliği anlamada yardımcı olabileceğini ve bilim adamlarına bu şaşırtıcı malzemelerin daha eksiksiz bir resmini verdiğini söyledi.

Referans: Zhuoyu Chen, Yao Wang, Slavko N. Rebec, Tao Jia, Makoto Hashimoto, Donghui Lu, Brian Moritz, Robert G. Moore, Thomas P. Devereaux ve Zhi tarafından “Doped 1D cuprate zincirlerinde anormal derecede güçlü komşuya yakın çekim” -Xun Shen, 9 Eylül 2021, Bilim.
DOI: 10.1126/science.abf5174

DOE’nin Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndan araştırmacılar, DOE Bilim Ofisi tarafından finanse edilen bu çalışmaya katkıda bulundu. SSRL, Office of Science kullanıcı tesisidir.





#Yıllık #Denemeden #Sonra #Bilim #İnsanları #Atomik #Cuprat #Zinciri #Doping #Yapmayı #Başardı