การวิเคราะห์กระบวนการปรมาณูในตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิสูง

เชมัส เดวีส์ ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ดและคอร์ก เป็นผู้นำทีมวิจัยระดับนานาชาติที่เพิ่งตีพิมพ์ผลการวิจัยที่ชี้ให้เห็นถึงกลไกของอะตอมที่อยู่เบื้องหลังตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง ผลลัพธ์ถูกนำเสนอ พนัส:.

การวิเคราะห์กระบวนการปรมาณูในตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิสูง

เครดิตภาพ: Shutterstock/Yurchanka Siarhei

ตัวนำยิ่งยวดเป็นวัสดุที่สามารถนำไฟฟ้าได้โดยไม่มีความต้านทานใดๆ ทำให้กระแสไฟฟ้าไหลได้โดยไม่หยุดชะงัก ตัวนำยิ่งยวดมักต้องการอุณหภูมิที่ต่ำมาก ซึ่งจำกัดการใช้งานอย่างแพร่หลาย

ตัวนำยิ่งยวดถูกนำมาใช้ในการใช้งานที่หลากหลายแล้ว รวมถึงเครื่องสแกน MRI และรถไฟ Maglev ความเร็วสูง การพัฒนาตัวนำยิ่งยวดที่ทำงานที่อุณหภูมิห้องเป็นหนึ่งในเป้าหมายหลักของการวิจัยฟิสิกส์เพราะสามารถปฏิวัติการจัดเก็บพลังงานและการขนส่ง

นับตั้งแต่การค้นพบในปี 2530 วัสดุทองแดงออกไซด์บางชนิดได้แสดงให้เห็นถึงความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงกว่าตัวนำยิ่งยวดทั่วไป แต่กลไกพื้นฐานยังคงเป็นปริศนา

เทคนิคกล้องจุลทรรศน์ใหม่สองแบบได้รับการพัฒนาเพื่อตรวจสอบสิ่งนี้โดยทีมนักวิจัยนานาชาติจากอ็อกซ์ฟอร์ด คอร์ก ไอร์แลนด์ สหรัฐอเมริกา ญี่ปุ่น และเยอรมนี

ครั้งแรกที่คำนวณความแตกต่างของพลังงานระหว่างออร์บิทัลของอะตอมทองแดงและออกซิเจนในแง่ของตำแหน่งสัมพัทธ์ ประการที่สองประเมินความแรงของตัวนำยิ่งยวด (แอมพลิจูดของฟังก์ชันคลื่นคู่อิเล็กตรอน) สำหรับแต่ละอะตอมของทองแดงและออกซิเจน

ด้วยการจินตนาการถึงความแรงของตัวนำยิ่งยวดเป็นฟังก์ชันของความแตกต่างระหว่างพลังงานในวงโคจร เราสามารถวัดความสัมพันธ์ที่จำเป็นในการตรวจสอบความถูกต้องหรือทำให้ทฤษฎีชั้นนำของการนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงในระดับอะตอมเป็นโมฆะได้เป็นครั้งแรก.

เชมัส เดวีส์ ศาสตราจารย์ ฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ด

ตามที่คาดการณ์โดยทฤษฎี ข้อมูลเผยให้เห็นความสัมพันธ์เชิงปริมาณที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ระหว่างความแรงของตัวนำยิ่งยวดและความแตกต่างของพลังงานการถ่ายเทประจุระหว่างออกซิเจนในบริเวณใกล้เคียงกับอะตอมของทองแดง

ทีมวิจัยเชื่อว่าการค้นพบครั้งนี้อาจเป็นก้าวสำคัญในการพัฒนาตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้อง ในที่สุด สิ่งเหล่านี้สามารถนำมาใช้กับการใช้งานที่หลากหลาย เช่น การจัดเก็บและส่งพลังงานที่มีประสิทธิภาพสูง คอมพิวเตอร์ควอนตัม เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชัน และเครื่องเร่งอนุภาคพลังงานสูง

เนื่องจาก “คู่ทองแดง” ที่แน่นซึ่งอิเล็กตรอนที่มีกระแสไฟฟ้าถูกผูกมัด ความต้านทานไฟฟ้าจึงถูกจำกัดในวัสดุตัวนำยิ่งยวด การสั่นสะเทือนจากความร้อนทำให้คู่ทองแดงอยู่ในตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิต่ำ แต่จะมีความไม่เสถียรอย่างยิ่งที่อุณหภูมิสูง

การค้นพบใหม่เหล่านี้แสดงให้เห็นว่าคู่ทองแดงไม่ได้ผูกมัดด้วยปฏิกิริยาทางแม่เหล็กของตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง แต่เกิดจากปฏิกิริยาทางกลควอนตัมระหว่างคู่อิเล็กตรอนและอะตอมออกซิเจนที่แทรกแซง

ศาสตราจารย์เดวีส์กล่าวว่านี่เป็นปัญหาหนึ่งในการวิจัยฟิสิกส์มาเกือบ 40 ปีแล้ว หลายคนเชื่อว่าตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้องราคาถูกและราคาไม่แพงจะปฏิวัติอารยธรรมมนุษย์ได้พอๆ กับการนำไฟฟ้ามาใช้เอง“.

ลิงค์วารสาร:

โอมาโฮนี, S.M. et al. (2022) เรื่องกลไกการจับคู่อิเล็กตรอนของตัวนำยิ่งยวดทองแดง-ออกไซด์ที่อุณหภูมิสูง พนัส:. doi.org/10.1073/pnas.2207449119.

ที่มา: https://www.ox.ac.uk/