Các nhà khoa học có cái nhìn trực tiếp đầu tiên về cách nhảy của các electron bằng các nguyên tử rung

Anonim

Các nhà khoa học thuộc Phòng thí nghiệm gia tốc quốc gia SLAC của Viện Năng lượng và Đại học Stanford đã thực hiện các phép đo trực tiếp đầu tiên, và cho đến nay chính xác nhất, cách các electron di chuyển đồng bộ với các rung động nguyên tử gợn sóng qua một vật liệu kỳ lạ, như thể chúng đang nhảy múa cùng một nhịp.

Các rung động được gọi là phonon, và các khớp nối electron-phonon đo được mạnh gấp 10 lần so với lý thuyết đã dự đoán - đủ mạnh để có khả năng đóng vai trò siêu dẫn độc đáo, cho phép vật liệu dẫn điện không bị mất nhiệt độ cao bất ngờ.

Hơn nữa, cách tiếp cận mà họ phát triển mang lại cho các nhà khoa học một cách hoàn toàn mới và trực tiếp để nghiên cứu một loạt các vật liệu “nổi lên” có đặc tính đáng ngạc nhiên xuất hiện từ hành vi tập thể của các hạt cơ bản, chẳng hạn như các electron. Cách tiếp cận mới điều tra các tài liệu này thông qua thí nghiệm một mình, thay vì dựa vào các giả định dựa trên lý thuyết.

Các thí nghiệm được thực hiện bằng laser electron tự do tia X (LinLS Coherent Light Source - LCLS) của SLAC và với một kỹ thuật được gọi là quang phổ phân giải quang phổ góc (ARPES) trên khuôn viên trường Stanford. Các nhà nghiên cứu đã mô tả nghiên cứu ngày nay trong Khoa học.

Phương pháp 'đột phá'

"Tôi tin rằng kết quả này sẽ có nhiều tác động", Giulia Galli, giáo sư tại Viện Kỹ thuật Phân tử và Khoa học phân tử của Đại học Chicago tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne của DOE, không tham gia vào nghiên cứu cho biết.

"Tất nhiên họ đã áp dụng phương pháp này vào một tài liệu rất quan trọng, một thứ mà mọi người đã cố gắng tìm hiểu và hiểu, và điều này thật tuyệt vời", cô nói. "Nhưng thực tế là họ cho thấy họ có thể đo lường tương tác electron-phonon, điều rất quan trọng trong quá nhiều vật liệu và quá trình vật lý - điều này, tôi tin rằng, là một bước đột phá sẽ mở đường cho nhiều thí nghiệm khác trên nhiều nguyên vật liệu."

Khả năng thực hiện phép đo này, cô nói thêm, sẽ cho phép các nhà khoa học xác nhận các lý thuyết và tính toán mô tả và dự đoán vật lý của các vật liệu này theo cách mà chúng chưa bao giờ có thể làm trước đây.

"Những phép đo chính xác này sẽ cung cấp cho chúng tôi những hiểu biết sâu sắc về cách thức các vật liệu này hoạt động", Zhi-Xun Shen, một giáo sư tại SLAC và Stanford và điều tra viên Viện Khoa học Vật liệu và Năng lượng Stanford (SIMES) cho biết.

Đặc biệt chính xác 'Phim'

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng LCLS của SLAC để đo rung động nguyên tử và ARPES để đo năng lượng và động lượng của các electron trong vật liệu gọi là selen sắt. Kết hợp hai kỹ thuật cho phép họ quan sát khớp electron-phonon với độ chính xác phi thường, trên một khoảng thời gian của femtoseconds - một phần triệu của một phần tỷ của một giây - và trong khoảng một phần tỷ của chiều rộng của một sợi tóc người.

"Chúng tôi đã có thể tạo ra một" bộ phim "bằng cách sử dụng hai camera để ghi lại các rung động nguyên tử và chuyển động của electron, và cho thấy chúng lắc lư cùng lúc, giống như hai sóng đứng chồng lên nhau", đồng tác giả cho biết. Shuolong Yang, một nhà nghiên cứu hậu tiến sĩ tại Đại học Cornell.

"Nó không phải là một bộ phim theo nghĩa thông thường của hình ảnh bạn có thể xem trên màn hình", ông nói. "Nhưng nó nắm bắt các chuyển động phonon và electron trong các khung hình được quay 100 nghìn tỷ lần mỗi giây, và chúng ta có thể chuỗi khoảng 100 trong số chúng lại với nhau giống như các khung phim để có được bức tranh đầy đủ về cách chúng được liên kết."

Selen sắt họ nghiên cứu là một tài liệu tò mò. Nó được biết là dẫn điện mà không bị mất, nhưng chỉ ở nhiệt độ cực lạnh, và theo một cách mà không thể giải thích hoàn toàn bằng lý thuyết đã được thiết lập; đó là lý do tại sao nó được gọi là chất siêu dẫn độc đáo.

Theo đuổi một đầu mối hấp dẫn

Nhưng năm năm trước, một nhóm nghiên cứu ở Trung Quốc đã báo cáo một quan sát hấp dẫn: Khi một lớp selenide sắt nguyên tử mỏng được đặt trên một vật liệu khác gọi là STO - được đặt tên cho các thành phần chính của nó là stronti, titan và oxy - nhiệt độ siêu dẫn tối đa của nó nhảy từ 8 độ đến 60 độ trên không tuyệt đối, hoặc trừ 213 độ Celsius. Mặc dù vẫn còn lạnh, nhiệt độ cao hơn nhiều so với các nhà khoa học mong đợi, và nó nằm trong phạm vi hoạt động của các chất siêu dẫn nhiệt độ cao, mà phát hiện năm 1986 đã đặt ra một nghiên cứu điên cuồng vì tác động cách mạng này máy phát điện hiệu quả có thể có trên xã hội.

Theo dõi manh mối này, nhóm của Shen đã kiểm tra sự kết hợp của vật liệu với ARPES. Trong một bài báo năm 2014 trên tạp chí Nature, họ kết luận rằng các dao động nguyên tử trong STO đi vào selen sắt và cung cấp cho các electron năng lượng bổ sung mà chúng cần để ghép nối và mang điện với tổn thất zero ở nhiệt độ cao hơn so với chúng.

Điều này cho thấy rằng các nhà khoa học có thể đạt được nhiệt độ siêu dẫn tối đa cao hơn bằng cách thay đổi một số biến số, chẳng hạn như bản chất của chất nền bên dưới một màng siêu dẫn, tất cả cùng một lúc.

Nhưng liệu sự liên kết của các dao động nguyên tử và hành vi electron cộng tác này cũng diễn ra trong selenua sắt một mình, mà không có sự tăng cường từ một chất nền? Đó là những gì nghiên cứu hiện tại nhằm tìm ra.

Giống như khai thác một chiếc chuông với một cái búa

Nhóm nghiên cứu của Shen đã tạo ra một bộ phim selenide sắt dày hơn và nguyên tử hơn và nhấn nó với ánh sáng laser hồng ngoại để kích thích các rung động nguyên tử 5 nghìn tỷ lần mỗi giây — như nhẹ nhàng chạm vào một cái chuông với một cái búa nhỏ. Patrick Kirchmann nói. Điều này có những rung động dao động đồng bộ với nhau trong suốt bộ phim, vì vậy họ có thể dễ dàng quan sát hơn.

Sau đó, nhóm nghiên cứu đã đo các dao động nguyên tử và hành vi điện tử của vật liệu trong hai thí nghiệm riêng biệt. Yang, một sinh viên tốt nghiệp Đại học Stanford vào thời điểm đó, đã dẫn đầu việc đo lường ARPES. Simon Gerber, một nhà nghiên cứu hậu tiến sĩ thuộc nhóm của Shen, đã lãnh đạo các phép đo LCLS tại SLAC; ông đã gia nhập SwissFEL tại Viện Paul Scherrer ở Thụy Sĩ với tư cách là một nhà khoa học.

Nghiên cứu mới không chứng minh rằng sự kết hợp của các rung động nguyên tử và điện tử có trách nhiệm thúc đẩy nhiệt độ siêu dẫn sắt của selenide trong các nghiên cứu trước đây, Kirchmann nói. Nhưng sự kết hợp của tia X và ARPES quan sát phải cung cấp những hiểu biết mới và tinh vi hơn về vật lý của hệ thống vật liệu, nơi một số yếu tố được chơi cùng một lúc, và hy vọng di chuyển trường tiến nhanh hơn.

menu
menu