Các nhà khoa học đã khám phá ra một trạng thái vật chất mới, được gọi là 'kim loại Jahn-teller'

Một nam châm bay lên trên một chất siêu dẫn và siêu lạnh trên Flickr

Và nó có thể là chìa khóa để hiểu một trong những bí ẩn lớn nhất trong vật lý ngày nay - chất siêu dẫn nhiệt độ cao. 

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

Tại sao điều này thật thú vị? Vâng, nếu các đặc tính này được xác nhận, trạng thái vật chất mới này sẽ cho phép các nhà khoa học hiểu rõ hơn tại sao một số vật liệu có khả năng đạt được tính siêu dẫn ở nhiệt độ tới hạn cao (Tc) - "cao" như trong -135 ° C so với −243,2 ° C.

Bởi vì siêu dẫn cho phép vật liệu dẫn điện mà không có điện trở, có nghĩa là không có nhiệt, âm thanh hay bất kỳ dạng năng lượng nào khác, việc này sẽ cách mạng hóa cách chúng ta sử dụng và tạo ra năng lượng, nhưng nó chỉ khả thi nếu chúng ta có thể đạt được nó nhiệt độ cao.

Như Michael Byrne giải thích tại Bo mạch chủ, khi chúng ta nói về các trạng thái của vật chất, nó không chỉ là chất rắn, chất lỏng, khí, và có thể là plasma mà chúng ta phải suy nghĩ. Chúng ta cũng phải xem xét các trạng thái mơ hồ hơn không xảy ra trong tự nhiên, nhưng được tạo ra trong phòng thí nghiệm - ngưng tụ Bose – Einstein, chất làm thoái hóa, siêu chất lỏng và siêu lỏng, và plasma quark-gluon chẳng hạn.

Bằng cách giới thiệu rubidium thành các phân tử carbon-60 - thường được gọi là 'buckyball' - một nhóm nghiên cứu do nhà hóa học Kosmas Prassides từ Đại học Tokohu ở Nhật Bản có thể thay đổi khoảng cách giữa chúng, khiến chúng trở thành cấu trúc tinh thể mới. Khi đưa qua một loạt các phép thử, cấu trúc này cho thấy sự kết hợp các pha cách điện, siêu dẫn, kim loại và từ tính, bao gồm một pha mới, mà các nhà nghiên cứu đặt tên là 'kim loại Jahn-Teller'.

Được đặt tên theo hiệu ứng Jahn-Teller, được sử dụng trong hóa học để mô tả cách áp suất thấp, sự sắp xếp hình học của các phân tử và ion ở trạng thái điện tử có thể bị biến dạng, trạng thái vật chất mới này cho phép các nhà khoa học biến đổi chất cách điện - có thể ' t dẫn điện - vào một dây dẫn bằng cách áp dụng áp lực đơn giản. Byrne giải thích tại Bo mạch chủ:

"Đây là những gì các nguyên tử rubidium làm: áp dụng áp lực. Thông thường khi chúng ta nghĩ về việc thêm áp lực, chúng ta nghĩ về việc ép một cái gì đó, buộc các phân tử của nó gần nhau hơn bằng sức mạnh vũ phu. về mặt hóa học, tinh chỉnh khoảng cách giữa các phân tử bằng cách cộng hoặc trừ một số loại rào cản giữa chúng - có thể lén lút trong một số nguyên tử phụ.

Điều gì xảy ra trong kim loại Jahn-Teller là áp lực được áp dụng, và như trước đây là chất cách điện - nhờ hiệu ứng Jahn-Teller bị bóp méo điện - trở thành kim loại, hiệu ứng này vẫn tồn tại trong một thời gian.

Các phân tử bám vào hình dạng cũ của chúng. 

Vì vậy, có một chồng chéo các loại, nơi mà vật liệu vẫn trông rất khủng khiếp giống như chất cách điện, nhưng các electron cũng xoay sở tự do như thể vật liệu là chất dẫn. "

Và đây là giai đoạn chuyển tiếp giữa chất cách điện và dây dẫn cho đến nay, các nhà khoa học chưa bao giờ thấy trước đây, và gợi ý khả năng biến đổi vật liệu cách điện thành vật liệu siêu dẫn siêu có giá trị.

Và cấu trúc tinh thể buckyball này dường như có thể làm được ở một TC tương đối cao. "Mối quan hệ giữa chất cách điện cha mẹ, trạng thái kim loại thông thường trên Tc và cơ chế ghép nối siêu dẫn là một câu hỏi quan trọng trong việc hiểu tất cả các chất siêu dẫn độc đáo", nhóm nghiên cứu viết trong Science Advances.

Có rất nhiều công việc trong phòng thí nghiệm phải được thực hiện trước khi phát hiện này có ý nghĩa gì đó cho việc sản xuất năng lượng thực tế trong thế giới thực, nhưng đó là khoa học cho bạn. Và nó đã khiến mọi người hào hứng, khi nhà hóa học Elisabeth Nicol từ Đại học Guelph ở Canada nói với Hamish Johnston tại PhysicsWorld: "Hiểu cơ chế chơi và cách họ có thể thao tác để thay đổi Tc chắc chắn sẽ truyền cảm hứng cho sự phát triển [siêu dẫn] mới nguyên vật liệu".