Các nhà vật lý ở Mĩ và Trung Quốc vừa nghĩ ra một kĩ thuật thực hiện những phép đo đáng tin cậy về tính chất từ ​​của vật liệu chịu áp suất rất cao. Phương pháp của họ có thể giúp các nhà nghiên cứu khám phá các vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ cao và áp suất cao.

Chất siêu dẫn nhiệt độ cao đã thường xuyên được chú ý trong một hoặc hai năm qua – nhưng thường vì những lý do sai lầm. Một số tuyên bố về vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ gần bằng hoặc thậm chí cao hơn nhiệt độ phòng đã bị tranh chấp và một số đã bị rút lại.

Một phần của vấn đề là những vật liệu này được nghiên cứu ở áp suất rất cao trong tế bào đe kim cương (DAC). DAC nén một mẫu nhỏ giữa hai răng kim cương, khiến cho việc quan sát các dấu hiệu đặc trưng của tính siêu dẫn trở nên rất khó khăn. Thật vậy, thậm chí còn khó để biết cấu trúc nguyên tử chi tiết của những mẫu như vậy.

Thông thường, những tuyên bố về tính siêu dẫn phải được hỗ trợ bởi hai bằng chứng. Một là điện trở suất của vật liệu giảm đột ngột về 0 khi quá trình chuyển đổi siêu dẫn xảy ra. Loại còn lại là hiệu ứng Meissner, là sự thoát ra từ trường khỏi vật liệu khi nó chuyển sang trạng thái siêu dẫn.

Thử thách áp lực cao

Việc nhìn thấy những điều này đồng thời ở áp suất cao trong DAC là một thách thức, ông nói Norman Yao của Đại học Harvard. “Làm thế nào để bạn gắn một đầu dò vào buồng áp suất cao này? Chỉ là bạn không có quyền truy cập thôi.” Điện trở suất của mẫu có thể được đo bằng cách lắp các dây dẫn nhỏ. Nhưng để đo hiệu ứng từ tính, các nhà nghiên cứu thường bao quanh toàn bộ DAC bằng một cuộn dây cảm ứng điện từ, cuộn dây này chỉ cho kết quả trung bình cho toàn bộ mẫu.

Vấn đề đặc biệt nghiêm trọng đối với các vật liệu như cerium và lanthanum superhydrides, vốn là tâm điểm của nhiều sự phấn khích về chất siêu dẫn ở nhiệt độ phòng. Chúng thường được chế tạo bằng cách sử dụng tia laser để đốt nóng một mảnh kim loại với sự có mặt của hợp chất giàu hydro. Nhưng khó có thể biết được pha hydrua mong muốn đã hình thành ở đâu và ở đâu không có ở áp suất cao. Yao giải thích rằng đây là lý do tại sao các cuộc thử nghiệm thường xuyên thất bại, vì không có vùng siêu dẫn liên tục nối dây dẫn này với dây dẫn khác.

Nếu mẫu có độ không đồng nhất cao thì nó cũng làm phức tạp việc giải thích dữ liệu hành vi từ tính trung bình được thu thập bởi một cuộn dây cảm ứng. Điều này đặc biệt khó khăn vì những tín hiệu đó thường rất nhỏ so với trường nền. Kết quả là, những tuyên bố về tính siêu dẫn ở áp suất cao thường gây tranh cãi.

Ba năm trước, nhóm của Yao và những người khác đã chứng minh rằng từ trường cục bộ có thể được đo ở độ phân giải cao bằng cách sử dụng chính những viên kim cương DAC. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng khuyết tật mạng nitơ (NV) bên trong những viên kim cương. Trong những khuyết tật này, hai nguyên tử cacbon liền kề được thay thế bằng một nguyên tử nitơ và một vị trí mạng trống.

Chia trạng thái quay

Mỗi NV có một spin lượng tử tương tác với từ trường. Sự tương tác này được quan sát bằng cách sử dụng một kỹ thuật gọi là cộng hưởng từ được phát hiện bằng quang học. Khi ánh sáng laser chiếu vào NV, nó sẽ phát ra ánh sáng huỳnh quang. Nếu tín hiệu vi sóng ở tần số cộng hưởng cụ thể cũng được đưa vào NV, nó sẽ chuyển spin sang trạng thái cụ thể và điều này làm giảm lượng ánh sáng huỳnh quang phát ra. Nếu cũng có từ trường thì các mức năng lượng của trạng thái spin đó sẽ bị phân chia. Điều này có nghĩa là sự giảm huỳnh quang xảy ra ở hai tần số vi sóng riêng biệt – và sự tách biệt giữa các tần số đó tỷ lệ thuận với cường độ từ trường.

Về nguyên tắc, kỹ thuật này có thể được sử dụng để thực hiện phép đo từ tính phân giải không gian trên mẫu DAC sử dụng các trung tâm NV được cấy ghép gần đầu răng kim cương. Sự phát huỳnh quang được tạo ra bằng cách chiếu tia laser vào mặt sau của viên kim cương.

Chuyên gia áp suất cao cho biết: “Ưu điểm cố hữu của kỹ thuật NV là độ phân giải không gian cao trong việc đo sự nhiễu loạn của từ trường ứng dụng bằng pha siêu dẫn, trái ngược với hiệu ứng trung bình đối với các phép đo trên toàn bộ mẫu”. Mikhail Eremet của Viện Hóa học Max Planck ở Mainz, Đức. “Điều này cho phép sử dụng các mẫu nhỏ hơn nhiều và có khả năng đạt được áp suất cao hơn,” Eremets, người đã nghiên cứu về chất siêu dẫn nhiệt độ cao trong lanthanum superhydride điều áp, cho biết thêm.

Khuyết tật biến dạng

Tuy nhiên, có một vấn đề với kỹ thuật đo từ kế này vì áp suất cao làm biến dạng các khuyết tật NV theo cách làm mất dần tín hiệu từ kế. Trước đây, người ta phát hiện thấy huỳnh quang từ các vị trí NV như vậy biến mất ở áp suất 50–90 GPa, quá thấp để hình thành các pha siêu dẫn của các siêu hydrua.

Bây giờ Yao và các đồng nghiệp đã tìm ra giải pháp cho vấn đề áp lực này về mặt nguyên tắc đơn giản nhưng đầy thách thức đối với kỹ sư. Nếu mặt trên của răng kim cương được cắt dọc theo một hướng tinh thể cụ thể thì các vị trí NV sẽ được căn chỉnh theo hướng này. Kết quả của sự đối xứng này là áp suất không ảnh hưởng đến sự phát huỳnh quang. Điều này cho phép đội nghiên cứu phát hiện ra tính siêu dẫn trong những vùng cụ thể, cỡ vài micron, của một mẫu cerium superhydride ở nhiệt độ khoảng 90 K và áp suất 140 GPa.

Các nhà nghiên cứu cho biết, việc sử dụng định hướng kết tinh này có thể giúp giải quyết những tranh cãi trong quá khứ và tránh một số tranh cãi trong tương lai. Nó cũng có thể giúp các nhà nghiên cứu xác định điều kiện tổng hợp mẫu nào hoạt động tốt nhất. Yao cho biết trước đây rất khó xác định bản chất chính xác của một mẫu. Nhưng bây giờ, nếu vật liệu mục tiêu có phản ứng từ nào đó giống như hiệu ứng Meissner, thì có thể xác định chính xác vị trí của nó trong mẫu và từ đó suy ra mức độ hiệu quả của các chiến lược tổng hợp khác nhau.

“Khả năng chụp ảnh của kỹ thuật này sẽ đặc biệt hữu ích cho trên trang web đặc điểm của tính không đồng nhất hiện diện trong các chất siêu dẫn nhiệt độ cao này, bao gồm cả những chất ổn định gần áp suất xung quanh”, nhà khoa học vật liệu cho biết Russel Hemley của Đại học Illinois ở Chicago, người không tham gia vào công việc này.

Nghiên cứu được mô tả trong Thiên nhiên.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/diamond-alignment-makes-high-pressure-magnetometry-of-superconductors-possible/