Saturday, 28 November 2020

วัสดุนิกเกิลออกไซด์กับตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง

การตามหาตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิสูงอาจได้รับความช่วยเหลือจากการคำนวณโดยนักฟิสิกส์ของ RIKEN ที่เปิดเผยพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในวัสดุนิกเกิลออกไซด์

ตัวนำยิ่งยวดสามารถนำกระแสไฟฟ้าโดยไม่มีความต้านทานและใช้ทำแม่เหล็กไฟฟ้าหรือเครื่องมือที่ไวต่อการวัดสนามแม่เหล็ก

ตัวนำยิ่งยวดแบบดั้งเดิมขึ้นอยู่กับการจับคู่อิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นที่อุณหภูมิต่ำมากเท่านั้นดังนั้นอุปกรณ์ตัวนำยิ่งยวดจะต้องเย็นลงด้วยก๊าซเหลวที่มีราคาแพง แต่เมื่อประมาณ 30 ปีที่แล้วนักวิจัยค้นพบว่าวัสดุบางชนิดอาจกลายเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิค่อนข้าสูงถึง −140 องศาเซลเซียส สาเหตุสำคัญของตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงนี้ยังไม่เป็นเข้าใจ

ในปี 2019 นักวิจัยพบว่านีโอดิเมียมนิกเกิลออกไซด์ที่เจือด้วยธาตุโลหะชนิดหนึ่ง (Nd0.8Sr0.2NiO2) อาจเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิต่ำกว่า −258 องศาเซลเซียส การค้นพบดึงดูดความสนใจไม่ใช่เพราะอุณหภูมิ แต่เนื่องจากวัสดุนิกเกิลนี้มีโครงสร้างผลึกที่คล้ายกันมากกับวัสดุ cuprate และอาจใช้เป็นเตียงทดสอบเพื่อทำความเข้าใจการทำงานของตัวนำยิ่งยวดในวัสดุเหล่านี้ได้ดียิ่งขึ้น

วัสดุนิกเกิลประกอบด้วยชั้นของ Nd และ NiO2 Yusuke Nomura ที่ RIKEN Center และเพื่อนร่วมงานได้ศึกษาว่าปฏิสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กตรอนในสองชั้นนี้มีอิทธิพลต่อตัวนำยิ่งยวดได้อย่างไร

การคำนวณของทีมแสดงให้เห็นว่าอิเล็กตรอนในชั้น NiO2 มีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกันอย่างรุนแรงซึ่งคล้ายกับวัสดุ cuprate ที่มีความสัมพันธ์ในชั้น CuO2 ซึ่งเชื่อว่ามีบทบาทสำคัญในตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง อย่างไรก็ตามมีความแตกต่างระหว่างนิเกิลและ cuprate : ในนิเกิล, อิเลคตรอนในชั้นนีโอดิเมียมถูกครอบครองบางส่วนและก่อตัวเป็น Fermi pocket ซึ่งเป็นพื้นที่เล็ก ๆ ในเขต Brillouin zone ที่ล้อมรอบด้วย Fermi surface pockets เหล่านี้ไม่ปรากฏใน cuprates ซึ่งอาจทำให้วัสดุนิกเกิลไม่เหมือนกันอย่างสมบูรณ์กับวัสดุ cuprates

“ ขั้นตอนต่อไปคือการชี้แจงความแตกต่างและความคล้ายคลึงกันระหว่างนิเกิลและ cuprate อย่างเป็นระบบมากขึ้นและทำความเข้าใจกลไกการยิ่งยวดของทั้งสองระบบให้ลึกซึ้งยิ่งขึ้น”

ที่มา
https://www.riken.jp/en/news_pubs/research_news/rr/20200313_1/index.html