Keşiflerinden bu yana neredeyse kırk yıl önce, yüksek sıcaklık süperiletkenleri hem bilim adamlarını hem de mühendisleri büyüledi. Bu malzemeler, öncelikle Cuprates, klasik anlayışa meydan okurlar çünkü geleneksel süper iletkenlerden çok daha yüksek sıcaklıklarda dirençsiz elektrik gerçekleştirirler. Yine de onlarca yıl süren araştırmalara rağmen, bu karmaşık malzemelerde süperiletkenliğin nasıl ortaya çıktığına dair açık, kapsamlı bir mikroskobik resme sahip değiliz.
Doktora sırasında Caltech’te, yüksek sıcaklık süperiletkenleri tarafından sunulan derin bulmaca ile ilgimi çekti: Süper iletken özelliklerini temel kuantum mekaniğinden doğrudan basitleştirilmiş modellere veya yaklaşımlara güvenmeden doğrudan hesaplayabilir miyiz? Bu soru ile zorlu ama ödüllendirici bir bilimsel yolculuğa çıktım.
Cuprates neden özel ve zorlu
Cuprats, öncelikle bakır-oksijen düzlemlerinden oluşan katmanlı bileşiklerdir. Gözdensüz ana durumlarında, bunlar izolatörler ve antiferromanyetlerdir, yani elektron dönerleri bitişik bakır atomlarında antiparalel olarak hizalanır. Az sayıda delik veya elektron tanıtmak onları önemli ölçüde dönüştürerek süperiletkenliğin ortaya çıkmasına neden olur. Bununla birlikte, bu geçişi ve atom ölçeğinde ayrıntılı eşleştirme mekanizmasının yakalanması, teorisyenler için kötü şöhretli bir şekilde zorlanmıştır.
Son çalışmamız bu uzun süredir devam eden zorluğu ele alıyor. Caltech, Columbia ve Berkeley’den ortak çalışanlarla birlikte, ilk prensiplerden süper iletkenliği simüle etmek ve tahmin etmek için ileri bir hesaplama çerçevesi geliştirdik – hesaplamalarımız doğrudan sadeleştirmeden atomik pozisyonlardan başlıyor. Çalışma şurada yayınlandı Doğa İletişimi.
Basınç, katmanlar ve süperiletkenlik – ipuçlarını kaydetme
Özellikle Cuprat süperiletkenlerinde iki ilgi çekici ve yaygın olarak gözlemlenen fenomenlere odaklandık:
- Basınç etkisi: Cuprat uçaklarına basınç uygulandığında, süper iletken sıcaklıkları tipik olarak yükselir.
- Katman Etkisi: Farklı sayıda bakır oksijen tabakasına sahip Cuprat süperiletkenleri farklı süper iletken sıcaklıklar sergiler (önce katman sayısı ile artış ve daha sonra azalır).
Dikkat çekici bir şekilde, ab initio simülasyonlarımız, önceden ayarlanmış parametreler olmadan veya takılmış verileri kullanmadan bu iyi bilinen deneysel gözlemleri başarıyla yeniden üretti. Aslında, eşleştirme sırasını doğrudan gözlemleyebiliriz – süper iletkenliğin arkasındaki temel kuantum özelliği – ve süper iletken sıcaklıklarla yakından ilişkili eşleştirme boşluklarını hesaplayabiliriz.
Derin dalış: Döndürme ve şarj dalgalanmaları sürücü eşleştirme
Mikroskopik ölçeklerde süper iletkenliği gerçekleştiren nedir? Hesaplamalarımız, anahtarın iki kritik kuantum dalgalanması türünde olduğunu ortaya koydu:
- Dönen dalgalanmalar: Öncelikle bakır atomları arasında kısa menzilli manyetik etkileşimler.
- Şarj dalgalanmaları: Bakır ve oksijen atomları arasında elektron yoğunluğunun hareketleri ve yeniden düzenlemeleri.
Kısa mesafelerde meydana gelen bu dalgalanmalar – sadece birkaç atom birbirinden ayrı olarak – süperiletkenliği sağlamak için birlikte çalışır. İlginç bir şekilde, spin dalgalanmalarının eşleştirme için çok önemli olduğu ortaya çıkarken, yük dalgalanmaları elektronik ortamı bakır atomların etrafında ayarlayarak aşamayı ayarladı.
Süperiletkenliğin parmak izlerini belirleme
Bir malzemenin daha basit özelliklerden ne kadar süper iletkenli olabileceğini hızlı bir şekilde tahmin edebilir miyiz? Simülasyonlarımız iki basit “tanımlayıcı” tanımladı:
- Manyetik değişim kuplajı (J): Komşu spinlerin ne kadar güçlü bir şekilde etkileşime girdiğinin bir ölçüsü.
- Cu – O kovalencisi: bakır ve oksijen atomları arasında elektronların ne ölçüde paylaşıldığı.
Bu tanımlayıcılar, bilgisayarlı süper iletken özelliklerle güçlü bir şekilde ilişkilidir ve yapısal değişikliklerin veya kimyasal ikamelerin süper iletkenliği nasıl etkileyebileceğine dair değerli ipuçları verir.
İleriye doğru yol – teoriyi ve deney
İlk prensiplerden yüksek sıcaklıklı süperiletkenleri güvenilir bir şekilde simüle etme yeteneği, öne doğru önemli bir adımı temsil eder. Hesaplamalarımız henüz fononlar (atomik titreşimler), yapısal bozukluk ve açık dopant etkileri gibi tüm karmaşıklıkları yakalamasa da, yüksek sıcaklık süperiletkenliğinin tam bir mikroskopik tanımının ulaşılabilir olduğunu açıkça göstermektedir.
Umudumuz, bu ab initio yaklaşımının araştırmacıların umut verici süper iletken malzemeleri daha hızlı tanımlamasına ve mevcut olanları daha iyi anlamalarına izin vereceğidir. Belki de en heyecan verici olan, geliştirdiğimiz yöntemler deneycileri daha yüksek süper iletken sıcaklıklara sahip yeni malzemelere yönlendirebilir ve bizi enerji iletimi, ulaşım ve kuantum teknolojisindeki pratik uygulamalara yaklaştırır.
Yüksek sıcaklıklı süperiletkenliğin gizemleri tam olarak çözülmedi-ama şimdi onları en temel düzeyde anlamak için her zamankinden daha yakınız. Bu yolculuk daha yeni başlıyor ve bizi bir sonraki nereye götürdüğünü görmek için heyecanlıyım.
Bu hikaye, araştırmacıların yayınlanmış araştırma makalelerinden bulguları rapor edebilecekleri Science X iletişim kutusunun bir parçasıdır. Science X iletişim kutusu ve nasıl katılacağınız hakkında bilgi için bu sayfayı ziyaret edin.
