Các nhà nghiên cứu đã công bố một khung lý thuyết mới.

Các nhà vật lý đã xác định được một cơ chế chịu trách nhiệm tạo ra chất siêu dẫn dao động, được gọi là sóng cặp mật độ. Các kết quả làm nổi bật trạng thái siêu dẫn cao không điển hình được quan sát thấy trong một số vật liệu như chất siêu dẫn nhiệt độ cao, được công bố trên tạp chí thư đánh giá vật lý.

Louise Santos, trợ lý giáo sư vật lý tại Đại học Emory và là tác giả chính của nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi đã phát hiện ra rằng các cấu trúc được gọi là điểm kỳ dị Van Hove có thể tạo ra các trạng thái siêu dẫn biến đổi, dao động. “Công việc của chúng tôi cung cấp một khung lý thuyết mới để hiểu sự xuất hiện của hành vi này, một hiện tượng chưa được hiểu rõ.”

Tác giả đầu tiên của nghiên cứu là Pedro Castro, một sinh viên tốt nghiệp ngành vật lý từ Emory. Đồng tác giả là Daniel Shaffer, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ trong nhóm Santos và Yi-Ming Wu của Đại học Stanford.

Santos là một nhà khoa học lý thuyết chuyên về vật lý vật chất ngưng tụ. Nó nghiên cứu sự tương tác của vật chất lượng tử — những thứ nhỏ bé như nguyên tử, photon và electron — không hành xử theo các định luật vật lý cổ điển.

Tính siêu dẫn, hay khả năng của một số vật liệu dẫn điện mà không mất năng lượng khi được làm lạnh đến nhiệt độ cực thấp, là một ví dụ về hành vi lượng tử thú vị. Hiện tượng này được phát hiện vào năm 1911 khi nhà vật lý người Hà Lan Heike Kamerling Onnes chỉ ra rằng thủy ngân mất điện trở khi được làm lạnh xuống 4 Kelvin, hay âm 371 độ. F. Đây là về nhiệt độ Sao Thiên Vươnghành tinh lạnh nhất trong hệ mặt trời.

Mãi đến năm 1957, các nhà khoa học mới đưa ra lời giải thích về cách thức và lý do hiện tượng siêu dẫn xảy ra. Ở nhiệt độ bình thường, các electron đi lang thang ít nhiều độc lập. Chúng va chạm với các hạt khác, khiến chúng thay đổi tốc độ, hướng và tiêu tán năng lượng. Tuy nhiên, ở nhiệt độ thấp hơn, các electron có thể tổ chức thành một trạng thái mới của vật chất.

Louise Santos, trợ lý giáo sư vật lý tại Đại học Emory, là tác giả chính của nghiên cứu. Tín dụng: Đại học Emory

“Chúng tạo thành các cặp liên kết với nhau trong một trạng thái tập thể hoạt động như một thực thể duy nhất,” Santos giải thích. “Bạn có thể coi họ như những người lính trong một đội quân. Nếu họ di chuyển một cách cô lập, họ rất dễ bị chệch hướng. Nhưng khi họ đi cùng nhau với tốc độ ổn định, rất khó để gây bất ổn cho họ. Trạng thái tập thể này mang theo dòng điện trong một cách mạnh mẽ.”

Tính siêu dẫn nắm giữ tiềm năng to lớn. Về lý thuyết, nó có thể cho phép dòng điện chạy qua dây dẫn mà không làm chúng nóng lên hoặc mất năng lượng. Những dây này sau đó có thể mang nhiều điện hơn và hiệu quả hơn nhiều.

Santos nói: “Một trong những điều kỳ diệu của vật lý học là tính siêu dẫn ở nhiệt độ phòng, đủ thực tế cho các ứng dụng hàng ngày. “Bước đột phá này có thể thay đổi hình dạng của nền văn minh.”

Nhiều nhà vật lý và kỹ sư đang làm việc trên tuyến đầu này để cách mạng hóa cách truyền điện.

Trong khi đó, tính siêu dẫn đã tìm thấy các ứng dụng. Cuộn dây siêu dẫn chạy bằng năng lượng từ trường được sử dụng trong máy chụp cộng hưởng từ (MRI) để chẩn đoán y tế. Một số đoàn tàu bay từ tính hiện đang hoạt động trên thế giới, được chế tạo dựa trên nam châm siêu dẫn mạnh gấp mười lần so với nam châm điện thông thường. Các nam châm đẩy nhau khi các cực giống hệt nhau đối diện nhau, tạo ra một từ trường có khả năng nâng và đẩy tàu.

Máy Va chạm Hadron Lớn, một máy gia tốc hạt mà các nhà khoa học sử dụng để nghiên cứu cấu trúc cơ bản của vũ trụ, là một ví dụ khác về công nghệ hoạt động thông qua tính siêu dẫn.

Hiện tượng siêu dẫn tiếp tục được phát hiện trong nhiều vật liệu hơn, bao gồm nhiều vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn.

Một trọng tâm trong nghiên cứu của Santos là làm thế nào tương tác giữa các electron có thể dẫn đến các dạng siêu dẫn mà không thể giải thích được bằng mô tả về hiện tượng siêu dẫn năm 1957. Một ví dụ về cái gọi là hiện tượng kỳ lạ là hiện tượng siêu dẫn dao động, khi các cặp electron nhảy theo sóng, điện dung thay đổi .

Trong một dự án không liên quan, Santos đề nghị Castro khảo sát một số tính chất của các điểm kỳ dị van Hove, những cấu trúc trong đó nhiều trạng thái điện tử trở nên gần nhau về năng lượng. Dự án Castro tiết lộ rằng các điểm kỳ dị dường như có loại vật lý phù hợp để tạo ra các chất siêu dẫn dao động.

Điều đó đã thúc đẩy Santos và các cộng tác viên của ông đào sâu hơn. Họ đã phát hiện ra một cơ chế cho phép các trạng thái sóng siêu dẫn nhảy múa xuất hiện từ các điểm kỳ dị van Hove.

“Là những nhà vật lý lý thuyết, chúng tôi muốn có thể dự đoán và phân loại hành vi để hiểu cách hoạt động của tự nhiên,” Santos nói. “Sau đó, chúng ta có thể bắt đầu đặt câu hỏi về công nghệ có liên quan.”

Một số chất siêu dẫn nhiệt độ cao — hoạt động ở nhiệt độ lạnh hơn ba lần so với nhiệt độ tủ đông gia đình — có hành vi sóng nhảy múa này. Việc tìm ra cách hành vi này xuất hiện từ các điểm kỳ dị van Hove cung cấp cơ sở cho các nhà thực nghiệm khám phá thế giới của những khả năng mà nó thể hiện.

Santos nói: “Tôi nghi ngờ rằng Kamerlingh Onnes đã nghĩ đến sự bay lên hoặc máy gia tốc hạt khi ông khám phá ra tính siêu dẫn. “Nhưng mọi thứ chúng ta tìm hiểu về thế giới đều có những ứng dụng tiềm năng.”

Tham khảo: “Sự xuất hiện của Sóng Chern tăng áp và Mật độ cặp theo Điểm kỳ dị Van Hove cấp cao trong Mô hình Haldane-Hubbard” của Pedro Castro, Daniel Schafer, Ye-Ming Wu và Louise H. Santos, ngày 11 tháng 7 năm 2023, Có sẵn đây. thư đánh giá vật lý.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.026601

Công trình được tài trợ bởi Văn phòng Khoa học Năng lượng Cơ bản của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.