מחקר שנערך לאחרונה על ידי חוקרים מאוניברסיטת אוקאיאמה חשף תובנות חדשות לגבי מוליכות-על בטמפרטורה גבוהה בקופרטים, וחשף כי מתח חד-צירי יכול לגרום לסדר גל צפיפות מטען ארוך טווח, ובכך לספק מידע רב ערך לפיתוח חומרים מוליכים-על יעילים יותר. קרדיט: twoday.co.il.com
חוקרים גילו סדר גל מטען-צפיפות-גלים המושרה על ידי מתח במוליך-על בטמפרטורה גבוהה, המאיר את המנגנונים הבסיסיים.
מוליכים הם חומרים המסוגלים להוליך חשמל ללא כל התנגדות כאשר הם מקוררים מתחת לטמפרטורה מסוימת המכונה הטמפרטורה הקריטית. חומרים אלו משמשים ביישומים שונים כגון רשתות חשמל, רכבות מגלב וציוד הדמיה רפואי. מוליכים בטמפרטורה גבוהה, הפועלים בטמפרטורות קריטיות גבוהות יותר מאשר מוליכים קונבנציונליים, טומנים בחובם הבטחה גדולה לשיפור הטכנולוגיות הללו. אף על פי כן, המנגנונים הבסיסיים של מוליכות העל שלהם עדיין לא מובנים במלואם.
תחמוצות נחושת או קופרטים, סוג של מוליכים בטמפרטורה גבוהה, מפגינים מוליכות-על כאשר אלקטרונים וחורים (חללים פנויים שהותירו אחריהם אלקטרונים) מוכנסים למבנה הגבישי שלהם באמצעות תהליך הנקרא סימום. מעניין לציין שבמצב עם סימום נמוך, עם אלקטרונים פחות מאופטימליים הנדרשים עבור מוליכות-על, נפתח פסאודוגאפ – פער חלקי במבנה האלקטרוני. פסאודוגאפ זה נחשב לגורם פוטנציאלי במקור של מוליכות-על בחומרים אלו.
א. התוצאות מראות שמוליכות-על (SC) ו-CDW לטווח ארוך יכולים להתקיים במקביל, בעוד שהמתח הגדל מדכא מוליכות-על ומשפר את סדר ה-CDW. ב. במתח של 0.15%, הזמנת CDW לטווח קצר עוברת להזמנת CDW לטווח ארוך. קרדיט: Shinji Kawasaki מאוניברסיטת Okayama https://www.nature.com/articles/s41467-024-49225-w
בנוסף, מחקרים קודמים חשפו סדר צפיפות מטען ארוך טווח (CDW), במשטר המסומם הנמוך של קופרטים השובר את הסימטריה הגבישית של תחמוצת הנחושת (CuO2) מטוס. CDW הוא תבנית דמוית גל חוזרת של אלקטרונים המשפיעה על מוליכות החומר. שבירת הסימטריה הזו משמעותית שכן ידוע על מוליכות-על נוצרת בתוך או ליד מצבים שבורים בסימטריה. יתר על כן, במוליך-על cuprate מבוסס ביסמוט, Bi2האב2-xלָהאיקסCuO6+δ (Bi2201), הוכח ששדות מגנטיים חזקים יכולים לגרום לסדר CDW שובר סימטריה לטווח ארוך. למרות מחקר מקיף, תפקידן המדויק של תופעות אלו בהתרחשות של מוליכות-על בקופרטים עדיין אינו ידוע.
במחקר חדש, צוות חוקרים בראשות פרופסור חבר שינג'י קוואסאקי מהמחלקה לפיזיקה באוניברסיטת אוקאיאמה, יפן חקר את מקורה של מוליכות-על בטמפרטורות גבוהות במצב הפסאודוגאפ של קופרטים תוך שימוש בגישה חדשה. פרופ' קוואסאקי מסביר, "במחקר זה, גילינו את קיומו של סדר CDW ארוך טווח ב-Bi2201 המסומם בצורה אופטימלית, המושרה על ידי מתח מתיחה המופעל על ידי תא מתח חד צירי חדש המונע על ידי פיזו, השובר בכוונה את סימטריית הגביש. של CuO2 מָטוֹס." הממצאים שלהם פורסמו בכתב העת תקשורת טבע ב-14 ביוני 2024. הצוות כלל את גב' נאו צוקודה ופרופסור גואו-צ'ינג ג'נג, גם הם מאוניברסיטת אוקאיאמה, וד"ר צ'נטיאן לין מ-Max-Planck-Institut fur Festkorperforschung, גרמניה.
גילויים והשלכות
החוקרים השתמשו בטכניקת תהודה מגנטית גרעינית (NMR) כדי לבחון את השינויים במבנה האלקטרוני של מוליך העל Bi2201 המסומם בצורה אופטימלית, כאשר מתיחות דחיסה ומתיחות חד-ציריות הופעלו על החומר. התוצאות גילו שכאשר המתח עבר את ה-0.15%, החומר עבר טרנספורמציה משמעותית, כאשר סדר ה-CDW לטווח קצר עבר לסדר CDW לטווח ארוך. יתר על כן, הגברת המתח דיכאה מוליכות-על תוך שיפור סדר CDW, מה שמצביע על כך שגם מוליכות-על וגם CDW לטווח ארוך יכולים להתקיים במקביל. תוצאות אלו מצביעות על כך שסדר CDW נסתר לטווח ארוך, שאינו מוגבל למשטר עם נטילת סימומים נמוכים, קיים במצב הפסאודוגאפ של קופרטים, שמתגלה תחת עומס.
"ממצא זה מאתגר את האמונה המקובלת שמגנטיות היא המניע העיקרי בתחמוצות נחושת ומספק תובנות חשובות לבניית מודלים תיאורטיים של מוליכות-על", מעיר פרופ' קוואסאקי. כשהוא מדגיש את היישומים הפוטנציאליים של מחקר זה, הוא מוסיף, "הממצאים של מחקר זה טומנים בחובם הבטחה עצומה להבהרת המנגנונים הבסיסיים של מוליכות-על בטמפרטורה גבוהה, וסוללת את הדרך לפיתוח חומרים מוליכים-על מעשיים יותר. מוליכים בטמפרטורות גבוהות טומנים בחובם פוטנציאל גדול להעברת כוח ואחסון ללא הפסדים, התורמים באופן משמעותי לשימור אנרגיה ולחתירה לניטרליות פחמן. יתר על כן, ליישום של מוליכי-על בטכנולוגיית MRI יש פוטנציאל להפחית עלויות ולהפוך את ההדמיה הרפואית המתקדמת לנגישה יותר".
בסך הכל, מחקר זה מסמן צעד משמעותי לקראת הבנת מקורה של מוליכות-על בטמפרטורה גבוהה, ומדגיש את החשיבות של מתח חד-צירי ככלי בעל ערך להבנת מוליכות-על במוליכי-על דומים אחרים.
המחקר מומן על ידי JSPS KAKENHI, וקרן Murata Science and Education (SK).
