具有波浪形原子层的新材料表现出不寻常的超导特性

Josiah02 · 发表于 2024-9-20 14:30:22

麻省理工学院的物理学家和同事们创造了一种具有不同寻常的超导和金属特性的新材料，这要归功于厚度仅为十亿分之一米的波浪状原子层，这些原子层不断重复，形成了一个可以用手操作的宏观样本。样本的尺寸很大，这使得探索其量子行为或产生其特性的原子尺度相互作用变得容易得多。
这项研究发表在《自然》杂志上，其重要性还在于该材料是通过合理设计合成的。换句话说，该材料的配方基于该团队对此类材料的材料科学和化学的深入了解。因此，物理学家们有信心可以创造出更多具有不同寻常特性的新材料。
此外，尽管还有其他材料可以形成波浪形的原子结构，但该团队认为这是最完美的。纳米级的波浪层在整个晶体中是均匀的，晶体由数千个这样的波纹层组成。
“这种材料超出了人们传统上认为的晶体的范围——观察和了解可能出现的新物理特性是一个令人兴奋的机会，”这项研究的高级研究员、麻省理工学院物理学副教授约瑟夫·切克尔斯基 (Joseph Checkelsky) 说。
2D 材料
二维材料，即仅由一层或几层原子组成的材料，引起了物理学家的关注，因为它们可以被操纵以产生具有新奇特性的材料。例如，以微小角度旋转或扭曲一个或多个层会产生一种独特的图案，称为莫尔超晶格，可产生包括超导性和非常规磁性在内的现象。
但莫尔材料既难以制造（必须手工组装），又难以研究，因为它们是原子级的。切克尔斯基的团队一直在努力创造更容易操作的类似材料。
动画展示了一种具有波浪形原子层的新材料的原子结构。图片来源：麻省理工学院 Checkelsky 实验室
“我们基本上是将材料粉末混合，在炉中暴露在几百摄氏度的温度下，然后依靠化学反应”自然形成宏观晶体，其性质由原子级相互作用决定。“这是关键的突破，”麻省理工学院博士、现任哥伦比亚大学助理教授的 Aravind Devarakonda 说。Devarakonda 是当前《自然》论文的第一作者。
2020 年，切克尔斯基和本研究中的许多同事在《科学》杂志上报道了第一种以此方式创建的材料。该论文附有普林斯顿大学教授莱斯利·M·斯库普的一篇观点文章。
2021 年，切克尔斯基及其同事在《自然》杂志上描述了这种特殊材料如何表现出两种不同超导性的物理原理。这种新型波状材料是这类化合物的第二个成员。
就像千层蛋糕
这种新材料就像一块千层蛋糕，由一层原子级薄的钽和硫金属层堆叠在一层由锶、钽和硫组成的“间隔层”之上。这种结构重复数千层，形成一个大晶体。
Devarakonda 及其同事认为，波浪的形成是由于每层晶格的尺寸和结构不匹配。相应地，一层（由钽和硫组成）会弯曲以贴合在另一层之上，从而形成波浪。想象一下将一张法律文件放在一张普通打印纸上。为了使法律文件贴合在普通纸上，一些纸张需要向上弯曲。新的结构与此类似，只是法律文件以间隔方式“固定”在普通纸上，形成波浪。
不寻常的属性
这些微小的波反过来又形成了这种材料有趣的特性。例如，在一定温度下，这种材料可以变成超导材料，电子在材料中传播时不会受到任何阻力。
在这种情况下，“电子被结构调制 [波] 所印记，”德瓦拉孔达说。换句话说，“超导性也会吸收这种波纹。在某些部分，它很强，而在其他地方，它就弱了。”
同样，这种材料具有不同寻常的金属特性。这是因为电子更容易沿波谷流动，而不是沿波峰流动。
“所以我们所做的就是让电子具有方向性。这样电子就更容易朝一个方向流动，而不是朝另一个方向流动，”Devarakonda 说。“我们已经证明，通过引入 [波] 结构，我们可以彻底改变层的行为。我们已经插上旗帜；现在我们和其他人可以开始应用了。通过站在巨人的肩膀上，我们创造了一个全新的材料系列。这是一个完全未知的领域，带来了意想不到的结果，惊喜总是很有趣。”
除了 Devarakonda 和 Checkelsky，这篇论文的作者还有麻省理工学院电子工程与计算机科学系研究生 Alan Chen、前麻省理工学院物理系博士后研究员、现就职于 Google Deepmind 的 Shiang Fang、美国国家高磁场实验室的 David Graf、日本理化学研究所新兴物质科学中心的 Markus Kriener、哈佛大学的 Austin J. Akey、哈佛大学的 David C. Bell 和东邦大学的 Takehito Suzuki。

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