קפיצה קוונטית במוליכות-על: פריצת הדרך בלחץ גבוה של הרווארד

מדעני הרווארד השיגו התקדמות משמעותית בפיזיקה של לחץ גבוה על ידי יצירת כלי שמדלם ישירות חומרים מוליכי-על בתנאים קיצוניים, ומאפשר גילויים חדשים בתחום ההידרידים המוליכים-על.

מימן (כמו רבים מאיתנו) מתנהג מוזר תחת לחץ. התיאוריה צופה שכאשר הוא נמחץ על ידי משקל של יותר ממיליון פעמים האטמוספירה שלנו, היסוד הקל, השופע, הגז הרגיל, הופך תחילה למתכת, ועוד יותר מוזר, מוליך-על – חומר שמוליך חשמל ללא התנגדות.

מדענים היו להוטים להבין ובסופו של דבר לרתום תרכובות עשירות במימן מוליכות-על, הנקראות הידרידים, ליישומים מעשיים – מרכבות ריחוף ועד לגלאי חלקיקים. אבל לימוד התנהגותם של חומרים אלה ואחרים תחת לחצים עצומים ומתמשכים הוא הכל מלבד מעשי, ומדידה מדויקת של התנהגויות אלה נעה בין סיוט לבלתי אפשרי.

פריצת דרך במדידת לחץ גבוה

כמו שהמחשבון עשה עבור חשבון, ו-ChatGPT עשה לכתיבת מאמרים בני חמש פסקאות, חוקרי הרווארד חושבים שיש להם כלי יסוד לבעיה הקוצנית של איך למדוד ולדמות את התנהגותם של מוליכים הידרידים בלחץ גבוה. מפרסם ב טֶבַעהם מדווחים על שילוב יצירתי של חיישנים קוונטיים במכשיר סטנדרטי להשראת לחץ, המאפשר קריאה ישירה של התכונות החשמליות והמגנטיות של החומר בלחץ.

החידוש הגיע משיתוף פעולה ארוך שנים בין פרופסור לפיזיקה Norman Yao '09, Ph.D. '14, ופרופסור מאוניברסיטת בוסטון ועמית פוסט-דוקטורט לשעבר בהרווארד כריסטופר לאומן '03, שיחד פרצו מהרקע התיאורטי שלהם לשיקולים המעשיים של מדידת לחץ גבוה לפני מספר שנים.

מהפכה בפיזיקה של לחץ גבוה

הדרך הסטנדרטית לחקור הידרידים בלחצים קיצוניים היא באמצעות מכשיר הנקרא תא סדן יהלום, אשר סוחט כמות קטנה של חומר בין שני ממשקי יהלומים בחיתוך מבריק. כדי לזהות מתי דגימה נמעכה מספיק כדי לעבור מוליך-על, פיזיקאים מחפשים בדרך כלל חתימה כפולה: ירידה בהתנגדות החשמלית לאפס, כמו גם דחיית כל שדה מגנטי קרוב, הלא הוא אפקט מייסנר (בגלל זה מוליך-על קרמי). , כאשר מקורר בחנקן נוזלי, ירחף מעל מגנט).

הבעיה היא בלכידת הפרטים הללו. על מנת להפעיל את הלחץ הדרוש, יש להחזיק את הדגימה במקומה על ידי אטם המפיץ באופן שווה את המעיכה, ולאחר מכן לסגור בתא. זה מקשה "לראות" מה קורה בפנים, ולכן פיזיקאים נאלצו להשתמש בדרכים עוקפות הכוללות מספר דגימות כדי למדוד השפעות שונות בנפרד.

"תחום ההידרידים המוליכים היה קצת שנוי במחלוקת, בין היתר בגלל שטכניקות המדידה בלחצים גבוהים פשוט מוגבלות", אמר יאו. "הבעיה היא שאי אפשר פשוט לתקוע חיישן או בדיקה פנימה, כי הכל סגור ובלחצים גבוהים מאוד. זה הופך את הגישה לפיסות מידע מקומיות מתוך החדר לקשה ביותר. כתוצאה מכך, אף אחד לא באמת ראה את החתימות הכפולות של מוליכות-על במדגם בודד."

כדי לפתור את הבעיה, החוקרים תכננו ובחנו תיקון חכם: הם שילבו שכבה דקה של חיישנים, העשויה מפגמים טבעיים בסריג הקריסטל האטומי של היהלום, ישירות על פני השטח של סדן היהלום. הם השתמשו בחיישנים קוונטיים יעילים אלה, הנקראים מרכזי חנקן פנויים, כדי לצלם אזורים בתוך החדר בזמן שהדגימה בלחץ וחוצה לשטח מוליך-על. כדי להוכיח את הרעיון שלהם, הם עבדו עם cerium hydride, חומר הידוע כמי שהופך למוליך-על בכמיליון אטמוספרות של לחץ, או מה שהפיזיקאים מכנים משטר המגה-באר.

הכלי החדש יכול לעזור לתחום לא רק על ידי מתן אפשרות לגילוי הידרידים מוליכים-על חדשים, אלא גם על ידי מתן גישה קלה יותר לאותם מאפיינים נחשקים בחומרים קיימים, לצורך המשך מחקר.

"אתה יכול לדמיין שבגלל שאתה עושה עכשיו משהו בתא סדן יהלום (פנויה בחנקן), ואתה יכול לראות מיד ש'האזור הזה עכשיו מוליך-על, האזור הזה לא', אתה יכול לייעל את הסינתזה שלך ולהמציא דרך ליצור דגימות הרבה יותר טובות", אמר לאומן.

משרד האנרגיה האמריקאי תמך במחקר זה.