Oda sıcaklığında süper iletkenlikte yeni bir atılım: karbon bazlı süperiletkenlerin kritik sıcaklığı daha yüksek!
Hepimizin bildiği gibi, genel malzemeler iletim işlemi sırasında çok fazla enerji tüketirken, süper iletkenler iletim sürecinde neredeyse hiç enerji kaybı yaşamaz ve santimetre kare başına daha güçlü bir akım taşıyabilirler. Şu anda süper iletken malzemeler yalnızca düşük sıcaklıklı ortamlarda süper iletkendir. Düşük basınç ve yüksek sıcaklık altında malzemelerin süperiletkenliğini sağlamanın bir yolunu bulmak ve bunu hayata uygulamak, uygulamalı fiziğin en büyük görevlerinden biri değildir.
Bu sefer, Kuzey Carolina Üniversitesi'ndeki (NC Eyalet Üniversitesi) araştırmacılar, yeni bir tür bor katkılı Q-karbon malzemesi (bor katkılı Q-karbon) kullandılar. Karbon bazlı malzemelerin süper iletken kritik sıcaklığını önemli ölçüde artırın .
Şekil Bor katkılı Q-karbon malzeme
Daha önce, bir süper iletken olarak bor katkılı elmasın en yüksek sıcaklığı 11K (yaklaşık -262.15C °) idi, ancak şimdi bu yeni tür bor katkılı Q-karbon malzemesi, 35K ~ 57K (yaklaşık -238.15 ~ -215.6C °) aralığında süper iletkenliğe sahip. İletkenlik, orijinal kayıttan 46K daha yüksektir. North Carolina Üniversitesi'nde malzeme bilimi ve mühendisliği profesörü Jay C. Narayan, "Üst sıcaklık sınırının 11K'dan 57K'ya değiştirilmesi, geleneksel BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer süperiletkenlik teorisi) süperiletkenliğinde bir dönüm noktasıdır" dedi.
Şekil Süperiletken
Burada süperiletkenlik-BCS teorisinin temel çalışma prensibini popüler hale getirelim. Adından da anlaşılacağı gibi, bu teori Bardeen, Cooper ve Schrieffer tarafından önerildi. Düşük sıcaklık ve düşük enerji koşullarında, metallerde zıt dönüşlere sahip elektronların "Cooper çiftleri" oluşturacağına inanıyorlar.Bu Cooper çiftlerinin enerjisi, düşük sıcaklıklı kafesteki atomların titreşim enerjisinden daha yüksek olduğundan çevre ile etkileşime girmiyorlar. Enerji değişimi gerçekleşir, dolayısıyla direnç yoktur.
Şekil BCS süperiletkenlik teorisi
En eski süperiletken, 1911'de 4.2K'da keşfedilen cıva ve ardından 1980'lerde keşfedilen bakır-oksijen süperiletkenleriydi, yani bakır ve oksijen bileşikleri ve diğer nadir toprak elementleri. Dahası, 2008'de keşfedilen demir bazlı süper iletkendir; elementler tarafından sınıflandırılan bu süper iletken "aile", içinde benzer özelliklere sahiptir, çünkü esas olarak belirli atomların oluşturduğu kristal kafes düşük salınım enerjisine sahiptir, bu da Cooper çifti için daha uygundur hareket.
Yoğun madde fiziğinin gelişmesiyle birlikte daha fazla süperiletken ailelerin birbiri ardına gelişeceğine inanılıyor.
Şekil Süperiletken keşfi yılı ile kritik sıcaklık arasındaki ilişki Farklı aileler keşfedildikçe kritik sıcaklık artar
Bor katkılı Q-karbon malzemeleri üretme sürecinde, araştırmacılar önce alt tabakayı amorf karbon (amorf karbon) ve bor (bor) karışımıyla kaplar ve ardından alt tabakayı birkaç kez tek bir lazer darbesine maruz bırakır. Nanosaniyelerin sürekli bombardımanı. Lazer ışınlaması sırasında, karbonun sıcaklığı önce yaklaşık 4000 Kelvin'e yükselecek ve ardından hızla soğuyacaktır.
Jay C. Narayan, "Boru Q-karbona dahil ederek malzemenin ferromanyetizmasını ortadan kaldırdık ve ona süper iletkenlik verdik. Şimdiye kadar, Malzemedeki bor oranını her artırdığımızda, malzeme süper iletkenliğini daha yüksek bir sıcaklıkta koruyabilir. . Bor katkılı elmasla karşılaştırıldığında, bu işlem Fermi seviyesine yakın yük taşıyıcıların yoğunluğunu arttırır.
Şekil Malzemenin yapısal görüntüsü
Önceki yöntemle karşılaştırıldığında, bu üretim yöntemi, bor katkılı karbonun, mevcut denge yöntemleriyle (kimyasal buhar biriktirme gibi) üretilebilecek bor konsantrasyonundan çok daha yüksek olan daha yüksek bir bor konsantrasyonuna sahip olmasını sağlayabilir. Denge yönteminde bor katkılı Q-karbondaki bor konsantrasyonu sadece% 2 atomik yani her 100 atomda sadece iki bor atomu vardır. Ancak boronu karbona dahil etmek için bu lazer bazlı denge dışı yöntemi kullanarak, yüzde 27 atomik kadar yüksek bor konsantrasyonları elde edebiliriz.
Malzemedeki bor konsantrasyonu ne kadar yüksekse, malzeme daha yüksek sıcaklıklarda süper iletken olabilir. Şu anda, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı, yüksek yoğunluklu süperiletken durumların keşfini doğrulamak için elektron enerji kaybı spektroskopisini kullandı.
Şekil Bor katkılı Q-karbonun faz geçiş sıcaklığı 37.8K'dır.
Şu anda araştırmacılar, malzemeleri optimize ederek malzeme süper iletkenliğinin üst sıcaklık sınırını artırmayı planlıyorlar. Q-Carbon'un daha yüksek sıcaklıklarda süper iletkenliği sürdürme kabiliyetinin atılımı bilimsel olarak heyecan vericidir, bu da oda sıcaklığında yeni güçlü bir şekilde bağlanmış hafif malzemelerde süper iletkenlik elde edebileceğimiz anlamına gelir. Ek olarak, Q-karbon şeffaf, sert, biyouyumlu ve korozyona dayanıklıdır ve süper iletkenliği de pratik uygulamalar için özel bir öneme sahiptir.
Araştırmacılar, 10K (yaklaşık -263,15C °) kadar düşük bir ortam sıcaklığına ulaşabilen süper iletkenlerle eşleştirilmiş bir kapalı çevrim helyum soğutma sistemine zaten sahipler. Bor katkılı Q-karbon malzeme, 21K (-252.15C °) bir ortamda iki Tesla'lık bir manyetik alan kuvveti altında santimetre kare başına 43 milyon amper yoğunluğa kadar akım taşıyabilir. Dahası, bor katkılı Q-karbonu 57K'da (yaklaşık -216.15C °) süperiletkenliği korumasını sağladıkları için, bor katkılı Q-karbon malzeme pratik uygulamalarda kullanılabilir. "
Kağıt" Yeni Bir Yüksek Sıcaklık Karbon Tabanlı Süperiletken: B Katkılı Q-Karbon , "Applied Physics" dergisinde yayınlandı.
