팔라듐 산화물은 더 나은 초전도체를 만들 수 있습니다

May 27, 2023

일본 효고 대학, TU Wien 및 TU Wien 연구진의 계산에 따르면, 팔라듐(팔라듐 원소를 기반으로 하는 산화물 물질)은 구리산염(구리 산화물)이나 니켈산염(니켈 산화물)보다 더 높은 온도에서 작동하는 초전도체를 만드는 데 사용될 수 있습니다. 동료. 새로운 연구는 고온 초전도체에 중요한 두 가지 특성, 즉 상관 강도와 물질 내 전자의 공간적 변동 측면에서 두 개의 팔라데이트가 "실질적으로 최적"임을 확인했습니다.

초전도체는 특정 전이온도(Tc) 이하로 냉각되면 저항 없이 전기를 전도하는 물질이다. 발견된 최초의 초전도체는 1911년에 고체 수은이었지만 그 전이 온도는 절대 영도보다 몇 도에 불과합니다. 이는 초전도 상태를 유지하려면 값비싼 액체 헬륨 냉각제가 필요하다는 것을 의미합니다. 몇 가지 다른 "전통적인" 초전도체가 알려진 대로 곧 발견되었지만 모두 비슷하게 낮은 Tc 값을 가지고 있습니다.

그러나 1980년대 후반부터 액체 질소의 끓는점(77K)보다 높은 Tc를 갖는 새로운 종류의 "고온" 초전도체가 등장했습니다. 이러한 "비전통적인" 초전도체는 금속이 아니라 구리 산화물(구리산염)을 함유한 절연체이며, 이들의 존재는 초전도성이 훨씬 더 높은 온도에서도 지속될 수 있음을 시사합니다. 최근 연구자들은 니켈 산화물을 기반으로 한 물질이 구리산염 사촌과 동일한 맥락에서 우수한 고온 초전도체임을 확인했습니다.

이 연구의 주요 목표는 실온에서도 초전도성을 유지하는 물질을 찾는 것입니다. 이러한 물질은 발전기와 송전선의 효율성을 크게 향상시키는 동시에 초전도성(입자 가속기의 초전도 자석 및 MRI 스캐너와 같은 의료 장치 포함)의 일반적인 응용을 더 간단하고 저렴하게 만들 것입니다.

고전적인 초전도 이론(발견자인 Bardeen, Cooper 및 Schrieffer의 이니셜을 따서 BCS 이론으로 알려짐)은 수은과 대부분의 금속 원소가 Tc 이하에서 초전도하는 이유를 설명합니다. 즉, 페르미온 전자가 쌍을 이루어 쿠퍼 쌍이라는 보존을 생성합니다. 이러한 보존은 산란을 경험하지 않는 초전류로 물질을 통해 흐를 수 있는 위상 응집 응축물을 형성하며 결과적으로 초전도성이 나타납니다. 그러나 고온 초전도체의 메커니즘을 설명하는 데 있어서는 이 이론이 부족합니다. 실제로, 비전통적인 초전도성은 응집물질 물리학에서 근본적으로 해결되지 않은 문제입니다.

이러한 물질을 더 잘 이해하기 위해 연구자들은 이러한 3D 전이 금속의 전자가 어떻게 상호 연관되어 있는지, 그리고 서로 얼마나 강력하게 상호 작용하는지 알아야 합니다. 공간적 변동 효과(이러한 산화물이 일반적으로 2차원 또는 박막 재료로 만들어지기 때문에 강화됨)도 중요합니다. Feynman 도식적 섭동과 같은 기술을 사용하여 이러한 변동을 설명할 수 있지만 고온 초전도의 초석 중 하나인 금속-절연체(Mott) 전이와 같은 상관 효과를 포착하는 데는 부족합니다.

여기에서 DMFT(동적 평균 장 이론)로 알려진 모델이 등장합니다. 새로운 연구에서 TU Wien 고체 물리학자 Karsten Held가 이끄는 연구원들은 소위 DMFT에 대한 도식적 확장을 사용하여 여러 팔라데이트 화합물의 초전도 거동을 연구했습니다.

Cuprate 초전도체에는 이상한 구성 요소가 포함되어 있습니다.

Physical Review Letters에 자세히 설명된 계산 결과에 따르면 높은 전이 온도를 달성하려면 전자 간의 상호 작용이 강해야 하지만 너무 강해서는 안 됩니다. 큐레이트나 니켈레이트는 모두 최적의 중간 유형 상호작용에 가깝지 않지만 팔라데이트는 그렇습니다. "팔라듐은 주기율표에서 니켈 바로 한 줄 아래에 있습니다."라고 Held는 말합니다. "특성은 비슷하지만 거기에 있는 전자는 평균적으로 원자핵과 서로 다소 멀리 떨어져 있기 때문에 전자 상호 작용이 약합니다."