Màng mỏng La₃Ni₂O₇ qua kỹ thuật biến dạng đạt siêu dẫn 40K không cần áp suất cực cao

Siêu dẫn suốt một thế kỷ là hiện tượng được khám phá, không phải được thiết kế. Kỹ thuật biến dạng trong màng mỏng nickelate đang đảo ngược tiền đề đó bằng các kết quả thực nghiệm có khả năng tái lập. Nếu nhiệt độ chuyển pha có thể được nâng lên một cách có hệ thống thông qua thiết kế mạng tinh thể, mục tiêu công nghiệp truyền tải điện không tổn thất sẽ không còn phụ thuộc vào sự ngẫu nhiên hóa học mà trở thành bài toán kỹ thuật vật liệu có thể giải quyết có phương pháp.

Lý thuyết Bardeen-Cooper-Schrieffer, được xây dựng năm 1957, cung cấp mô tả chuẩn về siêu dẫn. Các electron thông thường đẩy nhau, nhưng thông qua tương tác với mạng ion — được phonon làm trung gian — chúng tạo thành các cặp liên kết gọi là cặp Cooper, và ngưng tụ thành chất lỏng lượng tử không tổn thất dưới nhiệt độ tới hạn. Lý thuyết hoạt động chính xác với kim loại thông thường, nhưng giới hạn của nó cũng rõ ràng không kém: logic nội tại của quá trình ghép cặp qua phonon ngăn nhiệt độ chuyển pha vượt đáng kể 30–40K. Khoảng cách giữa giới hạn đó và 77K cần thiết để vận hành với nitơ lỏng — chất làm lạnh công nghiệp rẻ và dễ tiếp cận — tạo nên động lực căn bản cho toàn bộ nghiên cứu siêu dẫn phi thông thường.

Các chất siêu dẫn oxit đồng — cuprate — đã phá vỡ ngưỡng đó năm 1986 khi các hợp chất chứa thủy ngân đạt nhiệt độ chuyển pha trên 130K. Nhưng chúng mang theo những khó khăn mới: gốm giòn khó gia công, bất ổn hóa học, và — về bản chất nhất — cơ chế siêu dẫn vẫn còn tranh luận sau gần bốn thập kỷ nghiên cứu chuyên sâu. Ghép cặp đối xứng sóng d, được thúc đẩy bởi các dao động spin phản sắt từ, là cách giải thích chiếm ưu thế, nhưng nguồn gốc chính xác của trật tự điện tử nằm bên dưới vẫn còn tranh cãi. Cuprate đã chứng minh rằng siêu dẫn nhiệt độ cao là khả thi. Chúng không giải thích được tại sao.

Bạn cũng có thể thíchCuộc săn lùng rutheni: cách AI biến một kim loại hiếm thành “vàng” mới

Việc nickel chiếm vị trí ngay cạnh đồng trong bảng tuần hoàn đã thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu siêu dẫn từ đầu thập niên 1990. Ni¹⁺ trong cấu trúc lớp vô hạn có cấu hình điện tử 3d⁹ — cùng trạng thái chiếm giữ orbital với Cu²⁺ trong cuprate. Tổng hợp qua khử topotactic các tiền chất perovskite hóa ra vô cùng khó khăn, cho đến khi một nhóm tại Đại học Stanford năm 2019 chứng minh siêu dẫn trong màng mỏng Nd₀,₈Sr₀,₂NiO₂, châm ngòi cho một cuộc cạnh tranh nghiên cứu toàn cầu. Tuy nhiên, nhiệt độ chuyển pha trong các hệ lớp vô hạn vẫn dưới 20K, và những khó khăn trong tổng hợp giữ lĩnh vực ở trạng thái phân mảnh.

Bước ngoặt đến với hợp chất Ruddlesden-Popper hai lớp La₃Ni₂O₇. Cấu trúc này chứa hai mặt phẳng NiO₂ được nối bởi các nguyên tử oxy apical tạo ra các đường trao đổi liên lớp mạnh. Dưới áp suất thủy tĩnh vượt quá 14 gigapascal, các tinh thể khối La₃Ni₂O₇ bước vào trạng thái siêu dẫn với nhiệt độ chuyển pha tiệm cận 80K. Sự biến đổi cấu trúc liên quan đến quá trình chuyển sang pha đối xứng I4/mmm, tái định hình cấu trúc tô pô bề mặt Fermi và tăng mật độ trạng thái tại mức Fermi. Quan sát mang tính quyết định là biến đổi cấu trúc và điện tử này không phải là đặc quyền của áp suất.

Kỹ thuật biến dạng khai thác một nguyên lý cơ bản của vật lý màng mỏng: khi một màng tinh thể phát triển trên đế có tham số mạng khác biệt, màng phải thích nghi với sự lệch mạng. Trong điều kiện biến dạng nén trong mặt phẳng — khi mạng đế nhỏ hơn khoảng cách tự nhiên của màng — màng bị nén theo chiều ngang và giãn theo chiều dọc, làm biến dạng ô đơn vị theo cách tương tự như tác dụng của áp suất thủy tĩnh. Sự khác biệt căn bản là biến dạng do đế tạo ra là điều kiện tĩnh ở áp suất môi trường: không cần tế bào đe kim cương, không cần duy trì lực cực đoan trong quá trình đo lường hay vận hành. Pha điện tử trước đây chỉ có thể tiếp cận dưới áp suất địa chất trở thành đặc điểm vĩnh cửu của trạng thái cơ bản của màng, được khắc vào ngay khoảnh khắc sinh trưởng.

Các tác động lên nhiệt độ chuyển pha trực tiếp và có thể đo lường. Màng mỏng nickelate hai lớp (La,Pr)₃Ni₂O₇ nuôi cấy trong điều kiện biến dạng nén thích hợp thể hiện siêu dẫn với nhiệt độ khởi đầu trên 40K ở áp suất môi trường. Các tính toán lý thuyết hàm mật độ tiết lộ cơ chế: nén trong mặt phẳng làm giảm năng lượng vùng tại điểm M của vùng Brillouin, tăng mật độ trạng thái điện tử tại mức Fermi. Khi áp dụng thêm áp suất thủy tĩnh vừa phải lên các màng đã biến dạng sẵn, nhiệt độ khởi đầu vượt 60K, với sự khuếch đại hợp tác của các dao động từ giữa các lớp và trong từng lớp được xác định là cơ chế thúc đẩy.

Cấu trúc điện tử được tiết lộ qua những thí nghiệm này chống lại mọi phân loại đơn giản trong các khung lý thuyết trước đó. Trong các chất siêu dẫn BCS, trường từ tới hạn trên tuân theo giới hạn Pauli — trường mà tại đó phân cực spin làm cho việc phá vỡ cặp trở nên có lợi về năng lượng. Nickelate lớp vô hạn đã được chứng minh duy trì siêu dẫn trong các trường gấp hơn hai lần giới hạn Pauli, đây là bằng chứng thực nghiệm trực tiếp rằng ghép cặp qua phonon không phải là cơ chế chủ đạo. Đối xứng ghép cặp trong các hệ hai lớp cho thấy đặc trưng sóng s mở rộng, có thể bắt nguồn từ cộng hưởng Feshbach giữa hai quần thể hạt tải riêng biệt, xuất phát tương ứng từ các orbital dz² và dx²-y² của các nguyên tử nickel trong lớp đôi. Sự liên kết liên lớp này không phải là nhiễu loạn: đó là đặc điểm trung tâm của trạng thái siêu dẫn.

Điều kỹ thuật biến dạng đạt được ở cấp độ vật liệu là chuyển đổi tô pô bề mặt Fermi — trước đây là đặc tính nội tại được cố định bởi hóa học của hợp chất — thành biến số thiết kế có thể tiếp cận thông qua các điều kiện lắng đọng. Sự lựa chọn đế, mức độ lệch mạng, nhiệt độ và khí quyển trong quá trình sinh trưởng: mỗi yếu tố trở thành một đòn bẩy tác động lên hình học lượng tử của các electron tại mức Fermi. Các nghiên cứu lý thuyết chỉ ra rằng ổn định pha đối xứng I4/mmm dưới biến dạng nén vừa phải, kết hợp với pha tạp để điều chỉnh độ chiếm giữ túi γ của bề mặt Fermi, cung cấp con đường tối ưu hóa có hệ thống để nâng cao Tc hơn nữa. Điều này chuyển đổi việc tìm kiếm nhiệt độ chuyển pha cao hơn từ khảo sát tổ hợp các hợp chất hóa học mới thành bài toán kỹ thuật có kiểm soát trong một họ vật liệu đã biết.

Bài đọc đề xuấtTachyon: vật lý ở rìa của ánh sáng

Tác động công nghiệp mở rộng theo tỷ lệ trực tiếp với nhiệt độ chuyển pha. Với bối cảnh Việt Nam đang đẩy mạnh phát triển hạ tầng điện lực và đặt ra các mục tiêu chuyển dịch năng lượng tái tạo đầy tham vọng, triển vọng của cáp truyền tải siêu dẫn mang ý nghĩa thực tiễn đặc biệt. Cáp truyền tải điện siêu dẫn dựa trên cuprate đã tồn tại trong các dự án thử nghiệm, nhưng tính giòn của vật liệu và chi phí làm lạnh đã hạn chế triển khai. Nếu Tc của màng mỏng nickelate có thể được nâng lên một cách đáng tin cậy về phía vùng nhiệt độ nitơ lỏng và độ ổn định cấu trúc trong điều kiện gia công thực tế được xác nhận, các vật liệu này sẽ bước vào cửa sổ vận hành làm mát bằng nitơ lỏng mà không cần duy trì áp suất cực đoan mà các nickelate hai lớp khối đòi hỏi. Phần cứng máy tính lượng tử đại diện cho một ứng dụng song song: các kiến trúc qubit siêu dẫn hiện tại vận hành ở dải millikelvin và đòi hỏi các máy làm lạnh pha loãng đắt tiền và phức tạp. Chuyển đổi sang Tc cao hơn sẽ không loại bỏ kỹ thuật lạnh, nhưng sẽ giảm đáng kể gánh nặng kỹ thuật của hệ thống tính toán lượng tử.

Những thách thức then chốt vẫn chưa được giải quyết. Kiểm soát các rối loạn cấu trúc được đưa vào trong quá trình khử topotactic — đặc biệt là các khuyết thiếu oxy apical — tiếp tục hạn chế khả năng tái lập giữa các nhóm nghiên cứu. Đối xứng ghép cặp chưa được xác định một cách dứt khoát: các thí nghiệm nhạy pha cần thiết để xác định cấu trúc nút khe trong hình học màng mỏng đòi hỏi kỹ thuật cao. Phân tích lý thuyết về các họ chất siêu dẫn phi thông thường đã biết cho thấy một cách định lượng rằng chỉ tối đa hóa các tương tác trao đổi spin trong khung chuẩn của điện tử có tương quan có thể không đủ để đạt đến nhiệt độ phòng, khiến cho việc khám phá các cơ chế ghép cặp mới kết hợp các kênh từ, orbital và phonon trở thành điều không thể tránh khỏi.

Kể từ những kết quả đầu tiên về siêu dẫn hai lớp ở áp suất môi trường, các nhà nghiên cứu từ Đại học Stanford, Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc cũng như nhiều tổ chức châu Âu và Nhật Bản đã đóng góp cho nỗ lực này. Cấu trúc hợp tác cần thiết — tích hợp các nhà hóa học tổng hợp, nhà vật lý màng mỏng, chuyên gia quang phổ phát xạ quang điện phân giải góc, nhà nghiên cứu kính hiển vi đường hầm quét và các nhà lý thuyết về phương pháp hàm mật độ và nhóm tái chuẩn hóa — phản ánh chiều rộng của vấn đề: tiến bộ ở bất kỳ mặt trận nào đều tái định hình các ràng buộc của tất cả các mặt trận còn lại.

Điều nền tảng nickelate đã thiết lập — vượt ra ngoài bất kỳ kỷ lục nhiệt độ chuyển pha nào — là bằng chứng khái niệm của một lớp khoa học vật liệu mới: thiết kế có chủ đích các giản đồ pha lượng tử thông qua kiểm soát hình học mạng tinh thể. Bề mặt Fermi không còn là đặc tính cố định để đo lường và chấp nhận; đó là biến số kiến trúc để thiết kế. Dù cách tiếp cận này có tạo ra chất siêu dẫn ở nhiệt độ phòng trong thập kỷ tới hay xác nhận sự cần thiết của một nền vật lý căn bản mới, nó đã thay đổi vĩnh viễn từ vựng khái niệm của lĩnh vực. Siêu dẫn từng là lĩnh vực của khám phá. Ngày nay, nó đang dần trở thành lĩnh vực của thiết kế.

Bài viết tương tự

Thiên hà Vô Cực: Một Vụ Va Chạm Vũ Trụ Rèn Nên Hiểu Biết Mới Về Nguồn Gốc Lỗ Đen

Chúng ta có đang sống trong một mô phỏng? Thế tam nan của Nick Bostrom và “động lực học thông tin” của Melvin Vopson

Đón xem “Pháo hoa” trên bầu trời: Mưa sao băng Lyrids thắp sáng bầu trời tháng Tư