Khoa học tự nhiên

Nghiên cứu tìm ra liên kết vật lý với hành vi điện tử kỳ lạ (07/08/2014)

Các nhà khoa học đã tìm ra manh mối mới về một trong những tính chất điện tử khó hiểu của chất siêu dẫn nhiệt độ cao dựa trên sắt là barium iron nickel arsenide. Một nhóm các nhà vật lý quốc tế do Đại học Rice dẫn dắt đã công bố bằng chứng đầu tiên, dựa trên các phép đo neutron tinh vi, mối liên kết giữa các tính chất từ và xu hướng của vật liệu, ở nhiệt độ đủ thấp để trở thành một chất dẫn điện tốt hơn ở một số hướng so với những hướng khác.

Hành vi kỳ lạ này, đã được ghi nhận trong một số tài liệu, xảy ra ở nhiệt độ cao hơn một chút so với nhiệt độ cần thiết để đem lại hiện tượng từ tính được cho là cần thiết cho sự khởi nguồn của chấn siêu dẫn nhiệt độ cao. Trong một nghiên cứu xuất bản trực tuyến trên tạp chí Science Express, các nhà khoa học Đại học Rice, Viện hàn lâm khoa học Trung Quốc và Đại học Kỹ thuật München, Đức (TUM) đã cung cấp bằng chứng đầu tiên rằng hành vi phụ thuộc hướng phát sinh từ các tính chất vật lý vốn có của vật liệu chứ không phải từ các tạp chất bên ngoài, như đã được đề xuất trước đó.

Những phát hiện mới này được dựa trên các thí nghiệm tán xạ neutron không đàn hồi tinh vi được thực hiện trên một số mẫu barium iron nickel arsenide tại quang phổ kế 3 trục PUMA của Đại học Kỹ thuật München. Nhóm nghiên cứu cho biết họ hy vọng những phát hiện này sẽ hữu ích trong việc giải thích tính chất vật lý cơ bản của hiện tượng điện tử phụ thuộc hướng đã được quan sát thấy trong các loại vật liệu siêu dẫn khác nhau.

“Hầu hết các chất siêu dẫn nhiệt độ cao và nhiều hợp chất liên quan, có một số pha điện tử kỳ lạ, đặc biệt là khi chúng đến gần nhiệt độ tới hạn nơi nảy sinh khả năng siêu dẫn”, Pengcheng, Giáo sư vật lý và thiên văn học tại Đại học Rice và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết. “Tán xạ neutron không đàn hồi và các kỹ thuật khác hiện cho phép chúng ta khám phá cơ sở vật lý của nhiều trong số những pha này”.

Việc giải thích cơ chế siêu dẫn nhiệt độ cao vẫn là thách thức quan trọng nhất trong lĩnh vực vật lý chất rắn. Tài liệu đầu tiên được đưa ra vào năm 1986 cho thấy, hiện tượng này được đánh dấu bằng việc không có điện trở trong một số vật liệu gốm kết tinh dưới một nhiệt độ tới hạn. Nhiệt độ tới hạn cho các chất siêu dẫn nhiệt độ cao - từ 50 đến 150 độ Kelvin trên độ không tuyệt đối - là tương đối cao so với nhiệt độ cần thiết cho siêu dẫn thông thường.

Giống như hầu hết các chất siêu dẫn nhiệt độ cao, barium iron nickel arsenide là một tinh thể hỗn hợp. Cấu trúc phân tử của nó bao gồm các lớp asen và các nguyên tử bari được kẹp giữa hai mặt phẳng các nguyên tử sắt. Các nguyên tử nickel sau đó được thay thế một phần bằng sắt để điều chỉnh tính chất vật lý của vật liệu. Các nguyên tử trong tinh thể hình thành một mô hình có trật tự giống hệt nhau trong cả hai hướng phải-trái (trục x) và trước-sau (trục y), nhưng không phải trong hướng trên-dưới (trục z).

Ở nhiệt độ phòng, vật liệu hoạt động như mong đợi, dẫn điện tốt như nhau dọc theo hai trục x và y. Tuy nhiên, khi vật liệu được làm lạnh đến gần nhiệt độ tới hạn để xuất hiện từ trường, nó đi qua một pha với điện trở trong một hướng cao hơn so với hướng kia. Các nhà vật lý gọi đó là hành vi phụ thuộc hướng “điện trở dị hướng”.

Trong nghiên cứu mới này, các nhà nghiên cứu bắn phá các tinh thể barium iron nickel arsenide bằng các neutron. Các phép đo tán xạ neutron có thể tiết lộ cấu trúc phân tử của vật liệu rất chi tiết và thử nghiệm tán xạ neutron không đàn hồi cho phép các nhà vật lý thấy được các tính chất rung của vật liệu. Trong thí nghiệm tán xạ không đàn hồi từ tính ở TUM, các neutron đến gây ra sóng điện từ ngắn trong các tinh thể. Đáng ngạc nhiên là cường độ của các sóng điện từ này khác nhau theo các hướng x và y. Các thí nghiệm cho thấy sự phụ thuộc vào hướng của kích thích từ tính trong barium iron nickel arsenide xảy ra chính xác tại dải nhiệt độ giống như điện trở dị hướng, do đó thiết lập một liên kết quan trọng giữa hai hiện tượng.

Các thí nghiệm tán xạ neutron không đàn hồi phát hiện ra một hành vi tương tự trong barium iron nickel arsenide. Ở nhiệt độ cao, các xung năng lượng không có trật tự. Trật tự đẳng hướng chung, tạm thời chỉ xảy ra trong khoảng nhiệt độ ngắn trước khi xuất hiện hiện tượng từ tính trong phạm vi điện trở dị hướng đã được đo trước đây.

Qimiao Si, nhà vật lý lý thuyết của Đại học Rice, một đồng tác giả cho biết, hành vi từ tính quan sát được bằng các phép đo tán xạ neutron không đàn hồi cho thấy cách thức các spin của điện tử được tổ chức một cách tự động trong vật liệu.

Nhóm nghiên cứu cho biết, dị hướng kích thích spin làm sáng tỏ nguồn gốc hiển vi của các pha điện tử trong chất siêu dẫn iron pnictide. Nó có thể giúp giải thích sự tương tác giữa từ trường và tính siêu dẫn và, nói chung, cơ chế siêu dẫn, trong các chất siêu dẫn iron pnictide.

Nguồn: www.vista.vn (Theo Phys.Org)