Các Nhà Khoa Học Vừa Phát Hiện ra Một Trạng Thái Mới Của Vật Chất, Được Gọi Là Kim Loại Jahn-Teller

Kim Loại Jahn-Teller chất siêu dẫn nhiệt độ cao

Hình ảnh:Chất siêu dẫn nhiệt độ cao bay lên trên một vòng nam châm. Credit: Julian Litzel / Wikimedia

Chìa khóa để hiểu một trong những bí ẩn lớn nhất trong vật lý hiện nay - chất siêu dẫn nhiệt độ cao.

Một nhóm các nhà khoa học đã công bố phát hiện về một trạng thái mới của vật chất trong một tài liệu mà dường như là một chất cách điện, chất siêu dẫn, kim loại và nam châm tất cả cuộn lại thành một, và nói rằng nó có thể dẫn đến sự phát triển của các "chất siêu dẫn nhiệt độ cao" có hiệu quả hơn.

Vì sao vật chất Jahn-Teller là điều thú vị? 

Vâng, nếu các đặc tính này được xác nhận, trạng thái mới của vật chất này sẽ cho phép các nhà khoa học hiểu rõ hơn lý do tại sao một số vật liệu có tiềm năng đạt được tính siêu dẫn ở nhiệt độ tương đối cao (Tc là nhiệt độ tới hạn)  "cao" như ở -135 ° C như trái ngược với -243,2 ° C. Bởi vì tính siêu dẫn cho phép một vật liệu dẫn điện mà không có sự kháng lại của điện trở, điều này có nghĩa không có nhiệt, âm thanh hay bất kỳ hình thức nào khác của phóng thích năng lượng ( năng lượng bị tiêu hao qua dây dẫn do điện trở), đạt được điều này sẽ là một cuộc cách mạng hóa, cách mà chúng ta sử dụng và sản xuất năng lượng, nhưng nó chỉ khả thi nếu chúng ta có thể đạt được điều đó với cái gọi là nhiệt độ cao.

Như Michael Byrne giải thích , khi chúng ta nói về các trạng thái của vật chất, nó không chỉ là các chất rắn, các chất lỏng, chất khí, và có thể là plasma mà chúng ta đang nghĩ về chúng. Chúng ta cũng phải cân nhắc các trạng thái mơ hồ hơn mà nó không xuất hiện trong tự nhiên, nhưng thay vào đó nó được tạo ra trong phòng thí nghiệm , ví dụ như : thể ngưng tụ Bose-Einstein , chất thoái hóa, siêu rắn và chất siêu lỏng, và quark -gluon plasma .

THÍ NGHIỆM

Bằng cách đưa nguyên tử rubidium vào các phân tử carbon-60, thường được gọi là "buckyball" - một nhóm nghiên cứu của nhà hóa học Kosmas Prassides từ Đại học Tokohu tại Nhật Bản đã có thể thay đổi khoảng cách giữa chúng, buộc chúng thành một cấu trúc dạng tinh thể mới. Khi đặt thông qua một mảng bảng để kiểm tra, cấu trúc này thể hiện một sự kết hợp của cách điện, siêu dẫn, kim loại, và các giai đoạn từ tính, trong đó bao gồm một loại  mới, các nhà nghiên cứu đã đặt tên 'kim loại Jahn-Teller '.

Được đặt theo tên các hiệu ứng Jahn-Teller, được sử dụng trong hóa học để mô tả ở áp suất thấp nó sẽ như thế nào, việc bố trí hình học của các phân tử và ion trong một trạng thái điện tử có thể trở nên méo mó, trạng thái mới của vật chất này cho phép các nhà khoa học chuyển đổi một chất cách điện - thứ mà không thể dẫn điện - vào một vật dẫn bằng cách đơn giản là dùng áp suất. Byrne giải thích về với Bo mạch chủ:

"Đây là những gì các nguyên tử nguyên tử rubidium làm: gây áp suất, thường thì khi chúng ta nghĩ về thêm áp suất sẽ gợi cho chúng ta nghĩ rằng để ép một cái gì đó, buộc các phân tử của nó gần gũi hơn với nhau bằng sức mạnh để ép buộc, nhưng điều đó có thể làm tương tự về mặt hoá học, chỉ cần tinh chỉnh những khoảng cách.. giữa các phân tử bằng cách thêm hoặc loại trừ đi một số loại rào chắn giữa chúng - cho một số nguyên tử phụ xâm nhập lẻ vào giữa chúng, có lẽ là vậy.

Điều gì xảy ra với một Jahn-Teller là khi áp dụng áp suất 

với những tính chất của một chất cách điện trước đó - nhờ vào điện làm biến dạng méo mó gây tác dụng biến Jahn-Teller trở thành một kim loại, tác dụng kéo dài trong một thời gian. Các phân tử bám vào hình dạng cũ của nó. Vì vậy, có một sự chồng lấp lẫn lộn, ở đó vật liệu trông vẫn còn một số lượng rất lớn chất cách điện, nhưng các electron cũng xoay sở để nhảy nhót xung quanh một cách tự do nếu như vật liệu là một vật dẫn. "

Và nó là giai đoạn chuyển tiếp này giữa chất cách điện và vật dẫn, cho đến bây giờ, mà trước đây các nhà khoa học chưa từng thấy , và nó gợi đến khả năng đưa các vật liệu cách điện thành vật liệu siêu dẫn siêu giá trị. Và cấu trúc tinh thể buckyball này xuất hiện để có thể làm điều đó ở một  nhiệt độ tới hạn Tc tương đối cao. "Mối quan hệ giữa các chất cách điện khởi đầu, của trạng thái kim loại thông thường cao hơn nhiệt độ tới hạn Tc, và các cơ chế siêu dẫn ghép nối là một câu hỏi chính trong việc tìm hiểu tất cả các chất siêu độc đáo", nhóm nghiên cứu viết trong Science Advances.

Có toàn bộ rất nhiều công việc thí nghiệm cần phải làm trước khám phá này ,có nghĩa là làm bất cứ điều gì để sản xuất năng lượng thực tiễn trong đời thực, nhưng đó là khoa học cho bạn. Và có người đã rất phấn khích với điều này , như nhà hóa học Elisabeth Nicol từ Đại học Guelph ở Canada nói với Hamish Johnston tại PhysicsWorld rằng: "Hiểu được các cơ chế hiện hành và làm thế nào họ có thể điều chỉnh để thay đổi được Tc chắc chắn điều này sẽ truyền cảm hứng cho việc phát triển các vật liệu [siêu dẫn] mới ".