06:49 2022-05-26
science - citeste alte articole pe aceeasi tema
Comentarii Adauga Comentariu
_ Găsirea supraconductivității în nichelați
_ Găsirea supraconductivității în nichelați
Studiul supraconductivității este plin de dezamăgiri, fundături și descoperiri întâmplătoare, potrivit Antia Botana, profesor de fizică la Universitatea de Stat din Arizona.
„Ca teoreticieni, eșuăm, în general, în a prezice noi supraconductori. ”, a spus ea.
Cu toate acestea, în 2021, ea a trăit punctul culminant al carierei ei timpurii. Lucrând cu experimentalistul Julia Mundy de la Universitatea Harvard, ea a descoperit un nou material supraconductor - un nichelat cu cvintuplu strat. Ei și-au raportat descoperirile în Nature Materials în septembrie 2021.
„A fost unul dintre cele mai bune momente din viața mea”, și-a amintit Botana. „Mă întorceam cu avionul din Spania și am primit un mesaj de la colaboratoarea mea Julia Mundy în timpul escalei mele. Când am văzut rezistivitatea coborând la zero, nu este nimic mai bun decât atât.”
Botana a fost aleasă drept 2022 Sloan Research Fellow. Cercetarea ei este susținută de un premiu CAREER de la Fundația Națională pentru Știință (NSF).
„Prof. Botana este unul dintre cei mai influenți teoreticieni în domeniul supraconductivității neconvenționale, în special în nichelații stratificati care au primit enorm atenție din partea comunităților de fizică a materialelor și a materiei condensate”, a spus Serdar Ogut, director de program în Divizia de Cercetare a Materialelor de la Fundația Națională pentru Știință. „Mă aștept ca studiile ei teoretice de pionierat, în colaborare cu experienți de top din SUA, să continue să depășească granițele, să ducă la descoperirea de noi materiale supraconductoare și să descopere mecanisme fundamentale care ar putea într-o zi să deschidă calea către supraconductivitate la temperatura camerei. „
Superconductivitatea este un fenomen care apare atunci când electronii formează perechi, mai degrabă decât să călătorească izolat, respingând orice magnetism și permițând electronilor să călătorească fără a pierde energie. Dezvoltarea supraconductoarelor la temperatura camerei ar permite transmisia de energie electrică fără pierderi și calculatoare cuantice mai rapide și mai ieftine. Studierea acestor materiale este domeniul teoriei materiei condensate.
„Încercăm să înțelegem ceea ce se numesc materiale cuantice – materiale în care tot ceea ce am învățat clasic în studiile noastre de licență se destramă și nimeni nu înțelege de ce fac acest lucru. lucruri distractive pe care le fac”, a glumit Botana.
Ea a început să investigheze nichelații, în mare măsură, pentru a înțelege mai bine cuprații – supraconductori pe bază de oxid de cupru descoperiți pentru prima dată în 1986. Treizeci de ani mai târziu, mecanismul care produce supraconductivitate în aceste materiale este încă aprig contestată.
Botana abordează problema uitându-se la materiale care arată ca cuprați. „Cupru și nichel sunt unul lângă celălalt pe tabelul periodic”, a spus ea. „Acesta a fost un lucru evident de făcut, așa că oamenii s-au uitat la nichelate de mult timp fără succes.”
Dar apoi, în 2019, o echipă de la Stanford a descoperit supraconductibilitatea într-un nichelat, deși unul care fusese „dopată” sau modificată chimic pentru a-și îmbunătăți caracteristicile electronice. „Materialul pe care l-au găsit în 2019 face parte dintr-o familie mai mare, ceea ce ne dorim, pentru că ne permite să facem comparații cu cuprații într-un mod mai bun”, a spus ea.
Descoperirea lui Botana din 2021 a construit pe acea fundație, folosind o formă de nichelat nedopat cu o structură unică, pătrată-plană, stratificată. Ea a decis să investigheze această formă specifică de nichelat — un nichelat cu pământuri rare, cu câtublu strat, pătrat-planar — pe baza intuiției.
„După ce m-a jucat cu multe materiale diferite ani de zile, este tipul de intuiție. că oamenii care studiază structura electronică se dezvoltă”, a spus ea. „Am văzut asta de-a lungul anilor cu mentorii mei.”
Identificarea unei alte forme de nichelat supraconductor permite cercetătorilor să identifice asemănările și diferențele dintre nichelați și dintre nichelați și cuprați. Până acum, cu cât sunt studiati mai mulți nichelați, cu atât arată mai mult ca cuprați.
„Diagrama de fază pare destul de similară. Mecanismul de împerechere a electronilor pare să fie același”, spune Botana, „dar aceasta este o întrebare care nu a fost încă rezolvată.”
Superconductori convenționali prezintă împerecherea undelor S - electronii se pot împereche în orice direcție și pot sta unul peste altul, astfel încât unda este o sferă. Nichelații, pe de altă parte, prezintă probabil perechi de undă d, ceea ce înseamnă că unda cuantică asemănătoare unui nor care descrie electronii perechi are forma unui trifoi cu patru foi. O altă diferență cheie este cât de puternic se suprapun oxigenul și metalele de tranziție în aceste materiale. Cuprații prezintă un „super-schimb” mare – materialul schimbă electroni în atomi de cupru printr-o cale care conține oxigen, mai degrabă decât direct.
„Credem că acesta poate fi unul dintre factorii care guvernează supraconductibilitatea și cauzează temperatura critică mai scăzută a nichelaților”, a spus ea. „Putem căuta modalități de optimizare a acestei caracteristici.”
Botana și colegii Kwan-Woo Lee, Michael R. Norman, Victor Pardo, Warren E. Pickett au descris unele dintre aceste diferențe într-un articol de recenzie pentru Frontiers în fizică în februarie 2022.
Căutarea cauzelor fundamentale ale supraconductivității
Scriind în Physical Review X în martie 2022, Botana și colaboratorii de la Brookhaven National Laboratory și Argonne National Labs au aprofundat rolul stărilor de oxigen în nichelatul de valență joasă La4Ni3O8. Folosind metode de calcul și experimentale, ei au comparat materialul cu un cuprat prototip cu o umplere similară cu electroni. Lucrarea a fost unică prin faptul că a măsurat direct energia stărilor hibridizate nichel-oxigen.
Ei au descoperit că, în ciuda faptului că necesită mai multă energie pentru a transfera sarcini, nichelații au păstrat o capacitate considerabilă de supraschimb. Ei ajung la concluzia că atât „interacțiunile Coulomb” (atracția sau respingerea particulelor sau obiectelor din cauza sarcinii lor electrice), cât și procesele de transfer de sarcină trebuie luate în considerare atunci când se interpretează proprietățile nichelaților.
Fenomenele cuantice. că studiile Botana apar la cele mai mici scări cunoscute și nu pot fi testate decât oblic prin experiment fizic (ca în lucrarea Physical Review X). Botana folosește simulări computaționale pentru a face predicții, pentru a ajuta la interpretarea experimentelor și pentru a deduce comportamentul și dinamica materialelor precum nichelatul cu strat infinit.
Cercetarea ei folosește Teoria Funcțională a Densității sau DFT - un mijloc de rezolvare computațională a Schrödinger ecuație care descrie funcția de undă a unui sistem mecanic cuantic – precum și o ramură mai nouă și mai precisă, cunoscută sub numele de teoria câmpului mediu dinamic, care poate trata electronii care sunt puternic corelați.
Pentru a-și conduce cercetările, Botana folosește supercomputerul Stampede2 al Texas Advanced Computing Center (TACC) — al doilea cel mai rapid din orice universitate din S.U.A. — precum și mașini de la Arizona State University. Chiar și pe cele mai rapide supercalculatoare din lume, studiul materialelor cuantice nu este o chestiune simplă.
„Dacă văd o problemă cu prea mulți atomi, spun „Nu pot studia asta””, a spus Botana. . „Acum douăzeci de ani, câțiva atomi ar fi putut arăta prea mult”. Dar supercalculatoarele mai puternice le permit fizicienilor să studieze sisteme mai mari și mai complicate, cum ar fi nichelații, și să adauge instrumente, cum ar fi teoria câmpului mediu dinamic, care pot surprinde mai bine comportamentul cuantic.
Deși trăiesc într-o Epocă de Aur a Descoperirilor. , domeniul fizicii materiei condensate încă nu are reputația pe care o merită, spune Botana.
„Telefonul sau computerul tău nu ar fi posibile fără cercetări în fizica materiei condensate — de la ecran, la baterie. , către micul aparat de fotografiat. Este important ca publicul să înțeleagă că, chiar dacă este vorba de cercetare fundamentală și chiar dacă cercetătorii nu știu cum va fi folosit mai târziu, acest tip de cercetare în materiale este critic.”
Comentarii:
Adauga Comentariu