g u t x .com.tr İpek yolu - Çin'i anlamaya götürürüm

Kılavuz

Son zamanlarda, ABD Enerji Bakanlığı'nın Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı, bakır oksidin olağanüstü yüksek sıcaklık süper iletkenliğini ortaya çıkarmak için bir ipucu sağladı. Beklenmedik bir şekilde, cevap elektron spininden geliyor.

arka fon

Süperiletkenlik çok tuhaf bir fiziksel fenomendir ve geçen yüzyılın en büyük bilimsel keşiflerinden biridir.

Süperiletkenlik nedir?

Süperiletkenliğin tam adı olan süperiletkenlik, sıcaklık belirli bir kritik sıcaklığa (genellikle çok düşük bir sıcaklığa) düştüğünde belirli maddelerin direncinin sıfıra düşmesi özelliğine işaret eder. Süper iletken özelliklere sahip malzemeler "süper iletkenler" veya "süper iletken malzemeler" olarak adlandırılır.

1911'de Hollandalı fizikçi H. Kamolin Onnes, civa sıcaklığı 4,2K (-268,98 ° C) civarında olduğunda direncinin o kadar küçük olduğunu ve neredeyse saptanamayacağını (veya neredeyse sıfır olduğunu) keşfetti. O zamanki cıva aslında bir süper iletken oldu. Daha sonra, diğer birçok metal ve alaşımın da süper iletkenliğe sahip olduğunu keşfetti. Aunes, keşfiyle 1913'te Nobel Ödülü'nü kazandı.

Günümüzde süperiletkenler, insan üretimi ve yaşamının çeşitli alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. "Sıfır direnç kaybı" süper iletkenlerin enerji tasarrufu sağlayan güç iletim hatları ve enerji depolama ekipmanı için kullanılmasını sağlar; "özel manyetik fenomenler" (manyetik koruma ve manyetik kaldırma) süper iletkenleri nükleer manyetik rezonans tarayıcıları ve kaldırma trenleri için kullanışlı hale getirir.

Süper iletkenlerin neden olduğu manyetik kaldırma (resim kaynağı: Wikipedia)

Burada şunlara özellikle dikkat etmeliyiz: 4.2K çok düşük, mutlak sıfıra çok yakın bir sıcaklıktır. Uzun zamandır, bu son derece düşük sıcaklık koşulu, süper iletkenlerin uygulanmasını büyük ölçüde kısıtlamıştır.

Ocak 1986'da, Zürih, İsviçre'deki International Business Machines Corporation laboratuvarında çalışan bilim adamları Benoz ve Müller, ilk olarak baryum lantan bakır oksidin yüksek sıcaklıklı bir süper iletken olduğunu keşfettiler ve süper iletken sıcaklığı 30K'ya yükseltti. Bu çığır açan keşif, bir dizi bakır oksit (bakır oksit) yüksek sıcaklık süperiletkeninin keşfedilmesine yol açtı. Bernoz ve Muller ayrıca 1987 Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı.

1987'nin başlarında, Amerika Birleşik Devletleri'nden Wu Maokun (Zhu Jingwu) ve Çin Fizik Enstitüsü'nden Zhao Zhongxian, 90 bin itriyum baryum bakır oksit süperiletkeninin element değişimi yoluyla keşfedildiğini ve sıvı nitrojen sıcaklığının (77K) sıcaklık bariyerini ilk kez kırdığını duyurdu. Bu tür süperiletkenlere genellikle yüksek sıcaklık süperiletken adı verilir çünkü kritik sıcaklığı sıvı nitrojen sıcaklığının (77K) üzerindedir.

O zamandan beri, dünya çapında yeni yüksek sıcaklık süperiletkenlerini keşfetmede bir artış oldu. 1987'nin sonunda, Çinli bilim adamı Sheng Zhengzhi ve diğerleri ilk olarak talyum-baryum-bakır oksidin nadir toprak içermeyen ilk yüksek sıcaklık süperiletkenini keşfettiler. 1988 yılının başlarında Japonya, kritik sıcaklığı 110K olan bir bizmut stronsiyum kalsiyum bakır oksit süperiletkeni geliştirdi. Şubat 1988'de Sheng Zhengzhi ve diğerleri 125K talyum baryum kalsiyum bakır oksit süperiletkenini keşfettiler. 1993 yılında, Fransız bilim adamları bir 135K civa baryum kalsiyum bakır oksit süperiletken keşfettiler. O zamandan beri, yüksek sıcaklık süperiletkenlerinin sıcaklık kaydı yenilenmeye devam etti.

Ama işte sorun geliyor. Araştırmacılar on yıllardır bazı bakır oksitlerin (bakır oksitlerin) 100K'nın üzerindeki sıcaklıklarda süper iletkenliği karşısında şaşkına döndüler.

Yenilikçilik

Bugün, tanıtmak istediğim araştırma, sisi açığa çıkarmamıza ve bakır oksit yüksek sıcaklık süper iletkenlerinin süper iletken özelliklerini daha derinlemesine anlamamıza yardımcı olmaktır.

Son zamanlarda, ABD Enerji Bakanlığı Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı (Berkeley Lab), bakır oksidin olağanüstü özelliklerini ortaya çıkarmak için bir ipucu sağladı. Beklenmedik bir şekilde, cevap elektron spininden geliyor. Keşfi anlatan makaleleri Science dergisinde yayınlandı.

teknoloji

Her elektron, belirli bir yönü işaret eden minyatür bir mıknatıs gibidir. Ve süper iletken malzemelerin çoğu, iç "pusulalarının" gösterdiği yönü takip ediyor gibi görünüyor. Elektron dönüşleri aynı yönü göstermiyor, ancak rastgele farklı yönleri gösteriyor: bazıları "yukarı" ve bazıları "aşağı".

Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi: SARPES teknolojisinin getirdiği dönüş çözünürlüğü sayesinde, Berkeley Lab araştırmacıları Bi-2212'nin önceki çalışmalarda fark edilmeyen manyetik özelliklerini ortaya çıkardı.

(Fotoğraf kredisi: Kenneth Gotlieb, Chiu-Yun Lin, vb ./Berkeley Lab)

Bilim adamları çeşitli yeni malzemeler geliştirdiklerinde, genellikle malzemenin elektron spinine veya "elektronun yönüne" bakmaları gerekir. Bununla birlikte, süperiletkenler yapmak söz konusu olduğunda, yoğunlaştırılmış madde fizikçilerinin geleneksel yaklaşımı, spin üzerine yoğunlaşmak değildir, çünkü her zaman şu görüşü benimsemişlerdir: "Bu malzemelerin benzersiz özellikleri yalnızca iki elektron arasındaki geçişten kaynaklanmaktadır. Sözde "elektronik ilişki" etkileşim tarafından oluşturulur. "

Bununla birlikte, Berkeley'deki Deneysel Malzeme Bilimi Bölümü'nde bir bilim insanı ve Berkeley, Kaliforniya Üniversitesi Fizik Bölümü'nde profesör olan Alessandra Lanzara liderliğindeki araştırma ekibi, "SARPES (Döndürme ve Açı Çözülmüş Fotoelektron Spektroskopisi)" adlı bir proje aracılığıyla benzersiz bir dedektörü benimsediğinde Güçlü teknoloji, benzersiz bakır oksit süperiletken "Bi-2212 (bizmut stronsiyum kalsiyum bakır oksit)" ölçülürken, önceki içgörülere aykırı bir şey buldular: Malzemede benzersiz bir elektron dönüş modeli vardır.

Aşağıda resmedilmiştir: Berkeley Lab Alessandra Lanzara (soldan ikinci) liderliğindeki bir ekip, bir bakır oksit yüksek sıcaklık süperiletkeninde benzersiz elektron dönüş modelini ortaya çıkarmak için SARPES dedektörünü kullandı. Makalenin önde gelen yazarları arasında Kenneth Gotlieb (sağdan ikinci) ve Chiu-Yun Lin (sağdan birinci) yer alıyor. Makalenin ortak yazarları arasında şunlar da yer alıyor: Berkeley Lab Advanced Light Source'tan Chris Jozwiak (ilk soldan).

(Fotoğraf kredisi: Peter DaSilva / Berkeley Lab)

Lanzara, "Başka bir deyişle, her elektronun momentumuna bağlı olarak net bir yön gösterdiğini gördük. Bu özelliğe aynı zamanda spin-momentum kilitleme de denir. Bu özelliği yüksek sıcaklık süperiletkenlerinde bulmak büyük bir sürpriz."

Süper iletkenler dünyasında, "yüksek sıcaklık", malzemenin, sıcaklık beklenenden daha yüksek olduğunda (ancak yine de sıfır Fahrenheit'in altındaki aşırı soğuk bir sıcaklıkta) sıfır dirençle elektrik iletebileceği anlamına gelir. Bunun nedeni, süper iletkenin dirençsiz elektrik iletebilmesi için çok soğuk olması gerektiğidir. Düşük sıcaklık koşulları altında, elektronlar birbirleriyle eşzamanlı olarak hareket edebilir ve "titreyen" atomlar tarafından vurulmayacak ve dirence neden olmayacaktır.

Makalenin yardımcı yazarlarından biri olan ve bu araştırma yapıldığında Lanzara'nın laboratuvarında bir doktora öğrencisi olan Kenneth Gotlieb, bakır oksidin bu özel yüksek sıcaklıklı süper iletken malzemede en iyi performans gösteren malzeme olduğunu söyledi, böylece araştırmacılar şunları yapabilir: Bakır oksidin, elektriği sıfır elektronik momentum kaybı ile iletebilen süper enerji tasarruflu tellerin yapımında yeni bir malzeme haline gelmesinin beklendiğine inanılıyor. Bi-2212 tarafından temsil edilen egzotik bakır oksit süper iletkenin 133K'ya kadar sıcaklıklarda çalışabildiğini anlamak, yüksek sıcaklıkta süper iletken cihazların pratik hale gelmesini kolaylaştıracaktır.

Gotlie, yoğunlaştırılmış madde fizikçileri tarafından incelenen çok tuhaf malzemeler arasında, elektronların iki etkileşiminin, süper iletkenler de dahil olmak üzere bu yeni malzemelere yeni özellikler getirdiğini söyledi. Bilim adamları bakır oksit süper iletkenleri üzerinde çalışırken, her zaman etkileşimlerden birine odaklanmışlardır: elektronik korelasyon.

Bununla birlikte, bu tuhaf malzemelerde başka bir tür elektronik etkileşim bulunmuştur: "dönme-yörünge bağlantısı". Bu şekilde elektronun manyetik momenti, materyalin içindeki atomlarla etkileşime girer.

Makalenin ortak baş yazarlarından biri olan, Berkeley Lab Malzeme Bilimi Bölümü'nden bir araştırmacı ve Berkeley Kaliforniya Üniversitesi Fizik Bölümü'nde bir doktora öğrencisi olan Chiu-Yun Lin, bakır oksit süperiletkenleri çalışmasında, spin-yörünge birleştirme etkisinin çoğu zaman göz ardı edildiğini söyledi. Bu elektronik etkileşimin elektronik korelasyona göre zayıf olduğu varsayılmaktadır. Lin, alışılmadık dönüş modelini keşfettiklerinde, ilk keşiften şaşırmış olsalar da, Bi-2212 malzemesinin içsel özelliklerinin "doğru" olup olmadığından veya deneylerden kaynaklandığından emin olmadıklarını söyledi. Lazer ve malzeme arasındaki etkileşimin neden olduğu harici bir etki.

Yaklaşık üç yıllık bir araştırmadan sonra, Gotlieb ve Lin, Lanzara'nın laboratuvarındaki dönüş modelini tamamen tasvir etmek için SARPES dedektörünü kullandılar. Araştırmacılar, numunedeki daha geniş bir elektron aralığını harekete geçirmek için daha yüksek foton enerjisine ihtiyaç duyduklarında, dedektörü, ABD Enerji Bakanlığı Bilimsel Kullanıcı Tesisleri Ofisi'ndeki Gelişmiş Işık Kaynağı (ALS) olan yakındaki Berkeley Laboratuvarı'ndaki senkrotrona taşıdılar. . Bu gelişmiş ışık kaynağı, daha düşük enerjili "yumuşak" X ışınlarına sahip malzemelerin özelliklerini çalışmak için iyidir.

SARPES dedektörü, makalenin ortak yazarı olan ALS departmanının eski müdür yardımcısı Zahid Hussain ve ALS bilim adamı Chris Jozwiak ile birlikte Lanzara tarafından geliştirildi. Detektör, bilim insanlarının elektronların değerlik bandı yapısı gibi temel özelliklerini tespit etmesini sağlar.

Makalenin yardımcı yazarlarından biri olan Chiu-Yun Lin, SARPES dedektörünün gözlem penceresinden içeri baktı. Detektör, Berkeley Lab bilim adamlarının elektronların değerlik bandı yapısı gibi temel özelliklerini tespit etmesine olanak tanır.

(Fotoğraf kredisi: Peter DaSilva / Berkeley Lab)

Araştırma ekibi, SARPES dedektörünü ışın hattı 10.0.1'e bağladıktan sonra, ALS ile düzinelerce deney yaptıktan sonra, bu güçlü ışığı elde ederek elektronların dönüşünü keşfedebildiler.

değer

Laboratuvarda elde ettikleri ışıkla karşılaştırıldığında, bu elektronlar süperiletken içinde daha yüksek momentumlu hareket eder. "Sıfır olmayan döndürme" olarak da bilinen Bi-2212'nin benzersiz döndürme modunun, onlara daha fazla soru sormaya ilham veren gerçek bir sonuç olduğunu buldular. Lin şunları söyledi: "Yüksek sıcaklık süperiletkenliği alanında hala çözülmemiş birçok sorun var. Çalışmamız, bakır oksit süperiletkenlerinin daha iyi anlaşılması için yeni bilgiler sağlıyor ve bu bilgi, bu sorunları çözmenin temeli olacak."

Lanzara, Berkeley Lab ekibinin işbirliği olmadan bu keşfi yapamayacaklarını da sözlerine ekledi. Dedi ki: "Bu araştırma tipik bir durum. Farklı disiplinlerden uzmanların işbirliğinin bilimsel ilerlemeyi nasıl teşvik edeceğini ve yeni alet ve ekipmanların bilimsel gelişimi nasıl destekleyeceğini gösteriyor."

Anahtar kelime

Süperiletkenlik, spintronics, gelişmiş ışık kaynakları

Referans

[1] https://newscenter.lbl.gov/2019/01/03/revealing-hidden-spin-unlocking-new-paths-toward-high-temperature-superconductors/

[2] Kenneth Gotlieb, Chiu-Yun Lin, Maksym Serbyn, Wentao Zhang, Christopher L. Smallwood, Christopher Jozwiak, Hiroshi Eisaki, Zahid Hussain, Ashvin Vishwanath, Alessandra Lanzara. Yüksek sıcaklıklı bir bakır oranlı süperiletkende gizli dönme momentum kilitlemesini ortaya çıkarıyor Bilim, 2018; 362 (6420): 1271 DOI: 10.1126 / science.aao0980

Denizde balık tutmak, dağlarda mandalina toplamak, ağaç evde yaşamak, çiftlik sebzelerini yemek, Güney Avustralya haritasında bulunamayan gizli yerler

Kablosuz pilsiz implante edilebilir fotoelektrik sistem: nöronları kontrol etmek için ışık kullanın!

Xi'an Kamu Güvenlik Bürosunun Meipi Yolu Karakolu, bir suçluyu paylaşılan bir bisikletin çalınması nedeniyle idari olarak gözaltına aldı

Ball şampiyonluğu 2 ila 4 yılda mı kazandı? Bu iki olasılık olmadığı sürece

Audi'nin kompakt SUV'si Chengdu Otomobil Fuarı'nda görücüye çıktı, görünüm muhteşem ve güçlü, övgüye değer

Yerel yönetim kredi sıralaması: Guangdong, 31 eyalet arasında en yüksek, Qinghai ve Tianjin en altta

Chaoshan tüccarları, istasyonun yanındaki küçük tezgahtan başlayarak, küçük LCD cihazların babası haline geldiler.

Bir Büyük Üç Daha! Pelikanlar sonunda süper oyun kurucuları başlattı, playofflar istikrarlı

Tutamaz mısın? Düşme kahramanının takımdan ayrılmaya istekli olduğu ortaya çıktı, Dalian Yifang onu altı ay daha kalmaya zorlamalı.

Yeni kablosuz nörostimülatör: Nörolojik hastalıklar için yeni bir standart tedavi sağlaması bekleniyor!

Shaanxi, Foping İlçesi sulh hakimi yardımcısı Yang Runhua, karayolu trafik güvenliği tehlikelerinin düzeltilmesini denetlemek ve incelemek için ilgili bölüm başkanlarına liderlik etti.

Ma soyadına sahip Kaoshanlıların 9.000'den on milyara ulaşan bir bulaşık yıkama işçisinden Hintli bir şirketin patronuna geçmesi ne kadar zor?