Electronii scandiumului, explicație pentru superconductivitatea la temperatura camerei
Cercetătorii au confirmat existența unui superconductor prezis la temperatura camerei și au explicat mecanismul microscopic care îl deosebește de un material similar descoperit cu câțiva ani în urmă. Lucrarea, publicată în Physical Review B, oferă „o schiță teoretică pentru proiectarea viitoare de hidruri superconductoare superioare”, notează fizicienii.
Superconductivitatea la temperaturi ridicate este un obiectiv major al științei materialelor de zeci de ani. Au existat rezultate notabile în găsirea superhidrurilor metalice de tip clatrat, precum LaH10 — materiale bogate în hidrogen. În 2018, descoperirea superconductivității acestui material a fost anunțată într-un preprint, iar șase luni mai târziu în revista Nature. Temperatura sa critică, sub care materialul devine superconducting (nu opune rezistență curentului electric și expulzează câmpurile magnetice), a ajuns până la -13°C, un record pentru acea perioadă, deși la o presiune de 188 de miliarde de pascali (GPa), de aproximativ 1,9 milioane de ori presiunea atmosferică de la suprafața Pământului.
LaH10 devine superconducting doar la astfel de presiuni enorme, pentru că numai atunci se stabilizează în faza cristalină densă, bogată în hidrogen metalic, în care vibrațiile rețelei pot lega electronii în perechi Cooper. Acestea sunt perechi de electroni cuplate care pot prelua caracteristici de boson și, spre deosebire de fermioni, se pot condensa într-o stare fundamentală, nefiind blocați de principiul de excluziune al lui Pauli.
Un candidat mai cald
Pe baza proprietăților LaH10, în 2024 alți oameni de știință au prezis un alt superconductor dintre aceste hidruri metalice de tip clatrat, LaSc2H24. Acesta s-a dovedit a avea proprietăți superconductoare ușor mai bune: o temperatură critică de 43°C la o presiune de 167 GPa. Rămânea însă de înțeles de ce LaSc2H24 are proprietăți ceva mai bune, cel puțin ca superconductor, decât LaH10.
Un grup de cercetare de la Universitatea Jilin din Changchun și Universitatea Zhejiang din Hangzhou, China, incluzând unii dintre cercetătorii care au lucrat la predicție, a identificat diferențe fundamentale care explică temperatura critică mai ridicată.
De ce contează scandiumul
Deși predicția teoretică privind LaSc2H24 exista, instrumentele folosite nu specificau de ce adăugarea a doi atomi de scandium (Sc) ar modifica astfel proprietățile mai simplului LaH10. Pentru a studia problema, Yanming Ma, coautor al ambelor studii, afiliat ambelor universități, și colegii săi au observat că temperatura critică a LaH10 este limitată de o anizotropie în structura benzilor electronice a materialului.
Structura benzilor electronice a unui material solid reprezintă intervalul de energii pe care electronii le pot avea în material, precum și intervalul de energii pe care nu le pot avea. Aceste superhidruri metalice de tip clatrat au celule unitare — cea mai mică unitate repetabilă — formate din elemente metalice înconjurate de o „cușcă” de ioni de hidrogen. Structura LaSc2H24 are lantanul complet închis într-o cușcă de 30 de atomi de hidrogen și atomi de scandium parțial închiși în cuști de 24 de ioni de hidrogen. Atomii de hidrogen ocupă trei situri inechivalente, formând aceste straturi anizotrope, ceea ce creează proprietăți structural diferite între cele două tipuri de straturi. Anizotropia materialului deschide două canale de superconductivitate diferite, fiecare cu o valoare diferită a temperaturii critice.
Electronii 3d ai scandiumului, decisivi
Atomii de scandium modifică temperatura critică pentru că electronii lor 3d au un rol dublu: orbitalii 3d se suprapun puternic cu cuștile de hidrogen din jur și reconstruiesc suprafața Fermi într-o compoziție care favorizează anumite legături Sc-H-Sc în detrimentul altora. Analiza fizicii și chimiei tuturor acestor particule din celula unitară, chiar și numeric, devine destul de complicată.
Grupul a încercat să adauge calciu sau magneziu în loc de scandium pentru a studia modul în care schimbările în ocuparea orbitalilor 3d afectează superconductivitatea. Materialele rezultate erau stabile, dar calciul are un orbital 3d gol, iar magneziul nu are niciunul. Niciunul dintre materiale nu s-a dovedit superconducting, ceea ce indică faptul că electronii 3d ai scandiumului sunt critici pentru suprafețele Fermi și, prin urmare, pentru superconductivitate.
Grupul este optimist în privința progresului viitor. „Descoperirile noastre identifică această unificare a gapului indusă de Sc drept mecanismul fundamental pentru obținerea superconductivității la temperatura camerei în LaSc2H24, oferind o schiță strategică pentru proiectarea de hidruri ternare superioare… Aceasta sugerează dopajul cu metale de tranziție 3d ca strategie promițătoare pentru ingineria superconductivității izotrope la temperatura camerei în hidruri de înaltă presiune.”
