Новий прорив у фізиці допоможе створити надпровідники кімнатної температури

Що це дає?

Прорив, здійснений під керівництвом Джошуа П. Вейкфілда (Joshua P. Wakefield) та його колег, полягає у створенні кристала на основі кальцієво-нікелевого сплаву (CaNi2), що виявляє тривимірну плоску провідну зону в структурі кристалічної решітки, яка нагадує японське мистецтво плетіння кошиків, відоме під назвою кагоме.

Особливістю цього кристалу є те, що в його структурі є тривимірна пласка провідна зона. Це означає, що в певних ділянках кристала електрони можуть рухатися у спосіб, відмінний від звичайної поведінки електронів у матеріалах. Ці унікальні області, які називаються плоскими зонами провідності, мають цікаві квантові властивості з контрольованою енергією, які можуть впливати на те, як електрони взаємодіють один з одним і створюють нові фази матерії.

Цей прорив ґрунтується на попередніх експериментах, в яких науковці створювали подібні зони провідності в різних типах структур. Дослідники вже намагалися зробити щось подібне раніше, але зіткнулися з проблемами, оскільки електрони могли легко вирватися з третього виміру в кристалі.

Тепер дослідники успішно показали, що ці особливі електронні смуги можуть існувати в тривимірних кристалах з візерунком кагоме.

Як цього вдалося досягнути

Науковці створили кристали, використовуючи суміш кальцію та нікелю. Ці кристали мають специфічну структуру, схожу на візерунок у плетеному кошику.

Структура тривимірної кристалічної решітки кагоме / Фото Nature

Щоб зрозуміти, як вони працюють, команда використовувала метод фотоемісійної спектроскопії з кутовою роздільною здатністю для вимірювання енергії електронів всередині кристалів. Вони вони змогли виявити тривимірну пласку провідну зону в кристалічній структурі.

Пласкі електронні зони в кристалі CaNi2/ Фото Nature

Проблема у тому, що ці електронні смуги не перебувають на вищому енергетичному рівні Фермі, на якому вони могли б бути. Це ускладнює їхній вплив на основні властивості кристала на нижчих енергетичних рівнях.

Щоб перевірити, чи можна це змінити, дослідники провели експеримент. Вони замінили частину нікелю в кристалах іншими атомами – родієм і рутенієм, залишивши при цьому кристалічну структуру незмінною. Ця зміна перемістила електронні зони ближче до рівня Фермі, і це мало великий вплив на кристал.

Модифікований кристал став надпровідником, тобто зміг проводити електрику без жодного опору при температурі 6,2 кельвіна. Це суттєвий крок до розуміння і контролю поведінки цих матеріалів, які потенційно можна використати для покращення сучасних та створення нових технологій.

Як це використають на практиці

Цей прорив обіцяє поглибити наше розуміння електронної кореляції, електрон-фононної взаємодії та плоских заборонених зон у матеріалах. Водночас дослідники наголошують на необхідності подальшого вивчення та налаштування таких структур.

Кінцева мета – пролити світло на взаємодію цих факторів, що потенційно може призвести до створення надпровідників, які зберігатимуть свої властивості за вищих температур. Пошуки надпровідників, які б працювали при кімнатній температурі останнім часом зазнали невдач, що акцентує на додаткових зусиллях в цій передовій галузі досліджень.