LK99'da ilişkili yalıtılmış düz bandın kökeni
(arxiv.org)- Oda sıcaklığı ve atmosfer basıncında süperiletkenlik olasılığı raporuyla ilgi çeken LK99'da, yoğunluk fonksiyoneli kuramı hesaplamalarında Fermi düzeyinde ilişkili ve yalıtılmış bir düz bandın varlığı doğrulandı
- Bu düz bant, Cu iyonlarının oluşturduğu yapısal bozulma ile Pb(2) 6s² yalın elektron çiftinin oluşturduğu kiral yük yoğunluğu dalgasının birleşmesiyle ortaya çıkıyor; düşük enerjili fizik ise büyük ölçüde en az 2 bantlı bir modelle açıklanabiliyor
- Cu, Pb(1) konumuna girdiğinde örgü sabitleri a ve c sırasıyla 9.875 Å→9.738 Å ve 7.386 Å→7.307 Å değerlerine düşüyor; Cu çevresinde ise bozulmuş Jahn-Teller üçgensel prizma koordinasyonu oluşuyor
- Hesaplanan yalıtılmış Cu-d bandının en büyük genişliği yaklaşık 130 meV ve geri kalan değerlik bantlarından 160 meV ayrılmış durumda; ancak Cu, Pb(2) konumuna girdiğinde Fermi düzeyinde ilişkili d bandı ortaya çıkmıyor
- Pb(2) konumunun Pb(1) konumundan 1.08 eV daha kararlı olduğu hesaplandığından, hacimsel süperiletken örnekler için gerekli Pb(1) konumundaki Cu ikamesini sentezle kararlı hale getirmek temel kısıt olarak kalıyor
Hesaplama konusu ve yöntem
- İncelenen malzeme, Cu ile ikame edilmiş kurşun fosfat apatit CuPb9(PO4)6(OH)2 olup LK99'un yapı-özellik ilişkisini anlamak için hesaplandı
- Elektronik yapı hesaplamaları VASP tabanlı yoğunluk fonksiyoneli kuramı ile yürütüldü ve Cu-d durumlarının yetersiz yerelleşmesini düzeltmek için Hubbard-U uygulandı
- U değeri 2 eV ile 6 eV arasında denendi ve ana sonuçlar tüm değerlerde nitel olarak benzer kaldı
- Metindeki sonuçlar, deneysel örgü sabitleriyle %1 içinde uyuşan U = 4 eV hesabını temel alıyor
- Apatitin genel formülü A10(TO4)6X2±x olup burada başlangıç yapısı olarak Pb10(PO4)6(OH)2 kullanıldı
Pb yalın elektron çifti ve apatit yapısı
- Kurşun fosfat apatit, PbO6 prizmaları ile PO4 tetrahedra'nın kenar paylaşarak oluşturduğu bir iskelet ve bunun içini dolduran Pb6(OH)2 yapısından oluşuyor
- Yapı içinde iki tür Pb konumu bulunuyor
- Pb(1): PO4 tetrahedra ile birlikte tüm iskeleti oluşturuyor
- Pb(2): Altıgen merkezli sütun çevresindeki Pb-O bağlanabilirliği ve çokyüzlü eğimine önemli katkı sağlıyor
- Pb(1) ve Pb(2) her ikisi de 6s² yalın elektron çiftine sahip olsa da hesaplanan elektron yerelleşme fonksiyonunda yalnızca Pb(2) yalın elektron çifti stereokimyasal olarak aktif görünüyor
- Pb(2) yalın elektron çifti, a ekseniyle yaklaşık 105° yapan kiral bir düzen oluşturuyor ve çevredeki oksijenleri asimetrik biçimde iterek kiral yük yoğunluğu dalgası meydana getiriyor
- Bu oksijenler PO4 ile kenar paylaştığı için, Pb(2) yalın elektron çiftinden başlayan yapısal bozulma tüm yapıya yayılıyor
Cu ikamesinin yarattığı yapısal yeniden düzenleme
- Cu, Pb(1) konumuna ikame edildiğinde örgü sabitleri azalıyor
- a: 9.875 Å → 9.738 Å
- c: 7.386 Å → 7.307 Å
- Hesaplanan örgü sabiti değişimi, önceki raporlarda Cu ikamesi öncesi ve sonrası için bildirilen değişime göre daha büyük bir yapısal büzülme gösteriyor
- Önceki rapor: a, 9.865 Å→9.843 Å; c, 7.431 Å→7.428 Å
- Cu ikamesi, yalnızca Cu konumunda değil diğer Pb(1) konumlarında da koordinasyon sayısını 9'dan 6'ya çeviren küresel bir yapısal bozulma oluşturuyor
- Bu bozulma esas olarak PO4 çokyüzlü eğimi ve kenar paylaşan komşu oksijenlerin hareketinden kaynaklanıyor
- Simetriye uyarlanmış fonon modu analizinde Γ1 ve Γ2 modlarının genlikleri sırasıyla 1.19 Å ve 1.78 Å
- Cu²⁺, altı oksijenle bağ yaparak bozulmuş Jahn-Teller üçgensel prizma koordinasyonu oluşturuyor
- Cu-O bağ uzunluğu, komşu P bulunan tarafta 2.06 Å, bulunmayan tarafta 2.35 Å
- Üst ve alt oksijen üçgenleri yaklaşık 24° dönmüş bir Bailar twist biçimi gösteriyor
- Bu asimetrik Cu çevresi, z yönündeki yerel dipolü de etkileyebilir
Fermi düzeyindeki yalıtılmış düz bant
- Spin kutuplaşmalı elektronik yapı hesaplamasında Fermi düzeyini kesen yalıtılmış düz bant kümesi ortaya çıkıyor
- En büyük bant genişliği yaklaşık 130 meV
- Geri kalan değerlik bantlarından ayrım 160 meV
- Dar bant genişliği, güçlü korelasyonlu bir bandın işareti olarak yorumlanıyor ve Cu-O bağ uzunluğu ile olağandışı Cu koordinasyon ortamıyla da uyumlu
- Bozulmuş üçgensel prizma kristal alanında, Cu²⁺'nin d9 dizilimi için dyz/dxz çift dejenereli bandın yarı dolu olması bekleniyor
- Hesaplamada da Fermi düzeyinde dyz/dxz karakterli iki bant yarı dolu halde görülüyor
- Düşük enerjili fizik, 2 bantlı dyz/dxz modeli ile tanımlanabiliyor; bu da Fe-pnictide süperiletkenleri için önerilmiş modele benziyor
- Yapısal gevşeme olmadan Pb(1)'in yalnızca Cu ile yer değiştirmesi durumunda Cu-d durumları hacimsel değerlik bandı içinde kalıyor ve yalıtılmış bant oluşturmuyor
- Yalıtılmış düz Cu-d bandı, basit ikamenin kendisinden çok yapısal yeniden düzenleme ve apatit ağının kristal alan ortamından kaynaklanıyor
Süperiletkenlik olasılığı ve kalan kısıtlar
- Cu'nun Pb(1) konumuna girdiği yapı, yüksek sıcaklık süperiletkenlerinde dikkat çeken çeşitli özellikler gösteriyor
- Son derece düz ve yalıtılmış d bandı
- Olası manyetik dalgalanmalar
- Yük ve fonon dalgalanmaları olasılığı
- Düz bantlar, BCS kuramı açısından yüksek TC elde etmek için bir hedef olarak görülüyordu; düz bantta durum yoğunluğu ıraksarsa TC etkileşim şiddetiyle orantılı olabilir
- Bu sistemde, eşleşme oluşumuyla ilişkili çeşitli dalgalanma adayları hesaplamalarda doğrulandı
- Pb(2) yalın elektron çiftinin kiral düzeninin oluşturduğu yük yoğunluğu dalgası
- Cu ikamesiyle küresel yapısal deformasyon oluşturan iki zone-center fonon modu
- Komşu birim hücrelerdeki Cu atomları arasındaki değiş tokuş etkileşimi
- Cu-Cu değiş tokuş etkileşimi yönüne göre farklı tercih gösteriyor
- c ekseni yönünde, Cu-Cu uzaklığı 7.307 Å iken ferromanyetik bağlanma antiferromanyetik duruma göre 2 meV/Cu daha avantajlı
- Düzlem içinde, Cu-Cu uzaklığı 9.738 Å iken antiferromanyetik bağlanma 7 µeV/Cu daha avantajlı
- Bu sonuç, Cu'nun her birim hücrede aynı ikame konumunda bulunduğu gerçekçi olmayan varsayıma dayanıyor
- Cu, Pb(2) konumuna ikame edildiğinde yapı daha düşük P1 simetrisine yeniden düzenleniyor ve Cu, oksijenle tetrahedral koordinasyon oluşturuyor
- Bu durumda Fermi düzeyini kesen ilişkili d bandı ortaya çıkmıyor
- Pb(2) ikamesi, Pb(1) ikamesine göre enerjice 1.08 eV daha elverişli olduğundan, istenen Pb(1) konumu ikamesini elde etmek sentez açısından zor olabilir
1 yorum
Hacker News yorumları
LK-99'un gerçek olma olasılığı giderek daha yüksek görünüyor. Bu makale teorik bir çalışma ve belirli Pb atomu konumlarına giren belirli Cu ikamesinin, yüksek sıcaklık süperiletkenlerinde sık görülen bant yapısını mümkün kılan kilit unsur olduğunu düşünüyor.
Pratik açıdan bu, süperiletken LK-99 sentezinin basit olmadığı; çalışması için doğru bir ikame alaşımı üretmek gerektiği anlamına geliyor.
Bu bir DFT makalesi; yüksek sıcaklık süperiletkenlerinde görülen bant yapısının doğal biçimde ortaya çıktığını ve süperiletkenlik için her zaman gereken güçlü elektron-fonon bağlaşımının da yapıdan doğal olarak doğduğunu ele alıyor.
Şimdiye kadar oda sıcaklığı ve atmosfer basıncında süperiletken olma ihtimali açısından en heyecan verici çalışma bu.
Safça bakınca, LK-99 gerçekse neredeyse şans eseri keşfedilmiş gibi görünüyor.
Katı hâl fiziği teorisi de benzer biçimde eksik belirlenmiş de herhangi bir sonuca teori uydurmak mümkün mü, yoksa bu makale gerçekten anlamlı mı, merak ediyorum.
Sonra da yapımı kolay ve yaygın malzemelere göre eleyip önce onları test etmek gerekir gibi geliyor; neyi kaçırıyorum bilmiyorum.
LK99 gerçek olmasa bile son 2 hafta gerçekten çok heyecan vericiydi. Malzeme biliminden hiç anlamıyorum ama bilim dünyasının gösterdiği saf coşku ve iyimserlikten keyif aldım; yalnızca erişilebilir kitlesel iletişim sayesinde mümkün olabilecek benzersiz ve özel bir şeyin parçası olmuş gibi hissettim.
Buradaki heyecan elle tutulur düzeyde ve insanlık tarihindeki bu küçücük anı bu kadar çok kişiyle paylaşabildiğim için kendimi şanslı hissediyorum.
Sonra bizim teknoloji ağacında onlardan daha ileride olduğumuzu ve bunun ne kadar büyük bir armağan olduğunu hatırlıyorum. Teknoloji ağacının gerçek zamanlı güncellenişini izlemek gerçekten heyecan verici.
Bugünün karamsar grup düşüncesinin aksine insanlığın geleceğinin parlak olduğunu düşünüyorum; bu yüzden gelecek nesilleri de kıskanıyorum.
Bu makale, Lawrence Berkeley National Laboratory'den bir araştırmacının LK99'u simüle ederek yüksek sıcaklık süperiletkenleriyle ilişkili özellikler bulmasını anlatıyor.
Teşekkür bölümünden hemen önceki son paragrafta, sentezi zorlaştırabilecek bir özelliğe dikkat çekiyor ve “Buna rağmen, ilginç teorik sinyaller ve yüksek Tc süperiletkenlik olasılığına dair deneysel raporlar bulunduğundan, bu yeni malzeme sınıfının tanımlanmasının katkılanmış apatit mineralleri üzerine daha fazla araştırmayı teşvik etmesini bekliyoruz” diye sonuçlandırıyor.
Not: Lise terk biriyim ve bir zamanlar bir fizik projesinde çalıştım.
“Ancak başka bir Pb(2) konumuna ikame edildiğinde, enerjisi daha düşük bir ikame konumu olmasına rağmen bu arzu edilen özelliklerin ortaya çıkmadığı görülüyor. Bu sonuç, hacimli süperiletken numuneler elde etmek için uygun konumdaki Cu ikamesini sağlamanın sentez açısından zorluğuna işaret ediyor.”
Artık LK-99'un gerçekten doğru olabileceğine inanmaya başlıyorum.
Şüphecilik yüksek ve elbette öyle olmalı; ama ulaşılabilir olup keşfi zor olan şeyler hızla ortaya dökülüyor. Sırada ne yıkılacak?
Mantıksız bir kibir içinde olduğumu ve bunun hâlâ bir yanılgı ya da manipülasyon olma ihtimalinin daha yüksek olduğunu biliyorum. Yine de yapay zeka, uzay, kanser tedavisi, yaşlanma araştırmaları, elektrikli araçlar, hatta uçan arabalar ve füzyona kadar uzun vadeli yatırımların hızla meyve vermeye yaklaştığını görmek, yaşamak için güzel bir çağda olduğumuzu hissettiriyor.
Cu'yu doğru konuma zorla yerleştirmenin bir yolu var mı, yoksa benzer özelliklere sahip yeni malzemeler aramak mı bundan sonraki yol, merak ediyorum.
LK-99’un ya da benzer malzemelerin gerçekten yüksek Tc süperiletken olma ihtimali güçlenirse, zeki insanlar neye hazırlanır? İyi yatırım ne olur, hangi şirketler doğar ya da mevcut şirketler hangi yöne döner?
En zeki ve kendini adamış teknik insan gücünü, akademik maaşın 10 katını veren CRUD uygulaması geliştirme işlerinden çekip yeniden laboratuvara getirmek gerekir
Bu keşif doğruysa şanslıymışız demektir. Bilinen LK-99 hikâyesine göre neredeyse hiç gerçekleşmeyebilirdi ve mevcut sistem bu tür keşifleri hızlıca üretmek üzere tasarlanmış değil
“Sadece önemli bir şey bulun” tarzı temel araştırmaya milyarlarca dolar harcamak, insanlığın yüksek Tc süperiletkenler olmadan yaşamasının maliyetine kıyasla son derece ucuz
Yeşil enerji birden çok daha gerçekçi hale gelir. En verimli konumlardaki dev projeler enerjiyi uzun mesafelere taşıyabilir ve neredeyse kayıpsız depolayabilir; bu da bölgesel dalgalanmaları bir ölçüde dengeler. Güvenilir bir dünya düzeninde bütünleşik bir küresel elektrik şebekesi mümkünse bu özellikle geçerli
LK99’un büyük akım taşımada sınırları olabileceğini okudum, ama başka yaklaşımlar daha iyi olabilir
Elektrikli araçlarda motorlar, bataryalar, şarj süreleri ve ağırlık iyileşir; piyasada büyük değişim olur. Ayrıca mevcut otomobil bataryalarının çoğundan çok daha güvenli olur
Bilişimde hızlı, serin ve verimli dirençsiz transistörler büyük bir sıçrama olur. İleri seviye bileşen performansı basamak atlar ve bulutun hiperscale oyuncuları hesaplama altyapılarını tamamen yeniler. TSMC ve ASML’nin yeni siparişleri muazzam artabilir
Doğal olarak ilk bahis patentlerin peşinden gitmek olur. Bunun dışında, fabrika otomasyonu şirketleri gibi bir şeyler üretmeyi üreten sanayi şirketleri; ardından oda sıcaklığı süperiletken teknolojisi içeren ürünlere talebin patlayacağı TSMC, ASML ve belki Apple/AWS gibi şirketler benim tercihim olurdu
Elbette çalışma ilkesi anlaşılırsa birçok kişi daha güvenilir süreçler üzerine araştırma yoğunlaştırır, ama bu zaman alır. İleriye dönük net bir yol var mı bilmiyorum
Örneğin çok kolay kırılan bir malzemeyse uygulama alanı sınırlı olur
Birkaç noktaya değineyim
Yoksa, süperiletken olduğuna dair kanıt olmasa bile, şimdiye kadar elde edilen süperiletkenlikle ilgili kanıtlara göre beklenen bir özelliği daha karşılamış sayılır
Bu başlıkta çok iyimserlik var, ama DFT’nin ya da herhangi bir teorik modelin kuantum kimyasında gerçek öngörü gücünün ne kadar olduğunu merak ediyorum. Bu alanda nihayetinde sonucun kanıt olduğu izlenimini hep edinmişimdir
Ben de bunun gerçek olmasını isterim, ama gözlenebilirleri hesaplamayan DFT’ye pek ağırlık vermem. Yani haklısın
Sonuçlar dışarıdan iyi görünse bile çok basit moleküllerde bile gerçeklikten ciddi sapabilir. Bu bir kristal örgü olduğu için DFT’ye ve diğer hesaplama sonuçlarına büyük şüpheyle bakıyorum
LDA-DFT büyük olasılıkla çoğu durumda olduğu gibi pek iyi değildir; ama LK99 için güçlü bir nokta olmayabilir yine de DFT+GW hesaplamasını çok merak ediyorum
Belirli özelliklere sahip bileşik arama sürecinden tamamen farklıdır ve böyle aramalar çok daha hataya açık bir prosedürdür
Hâlâ şüpheciyim ama küçük bir umut veriyor; bu malzeme gerçekten süperiletkense, böyle bir analiz yüksek sıcaklık süperiletkenlerini daha iyi anlamaya yardımcı olur. Süperiletken değilse bile analiz doğruysa neyin farklı olduğunu bilmek bile ilginçtir
Özette çok sayıda dil bilgisi hatası olduğunu görünce biraz güldüm. Muhtemelen ana dili İngilizce olmadığı içindir ama 20 saatlik bir laboratuvar maratonu ve aşırı kafeinin ardından sonunda sonuçları alıp makaleyi telaşla yazmış gibi geliyor :D
https://en.wikipedia.org/wiki/Sin%C3%A9ad_Griffin
“Basit İngilizce” açıklama: https://nitter.net/Andercot/status/1686215574177841152#m
Şaşırtıcı noktalardan biri, transistörün ilk geliştirildikten sonra tüketici ürünlerine entegre edilmeye başlamasının yaklaşık 5 yıl sürmüş olması
LK-99 umut verici görünüyor ve en azından yan ürün olarak ilginç keşiflere yol açabilir. Eğer gerçekten “o şey” ise, özellikle sentezi görece basitse, ticari uygulamaları çok daha hızlı görebiliriz. Bundan daha heyecan verici bir zaman çizgisinde olamazdık
Bu malzeme için her şeyin doğru olduğunu varsaysak bile, bu daha çok yarı iletken diyotun mümkün olabileceğine dair ilk işaretler düzeyine yakın. Henüz transistör aşamasına, yani birkaç cm civarında kullanılabilir bir iletkenin pahalı da olsa üretilebildiği aşamaya gelinmesi gerekiyor
Ancak ondan sonra istenen uzunluklarda seri üretim ve ticarileştirme düşünülebilir. Bu yüzden sıkı bir malzeme bilimi bakış açısından, şimdiye kadarki her şey doğru olsa bile hâlâ yapılacak inanılmaz çok iş var
Malzemenin tamamı süperiletken olmasa bile küçük bölgelerin süperiletken olma ihtimali epey var; hatta bu ihtimal, tamamının süperiletken olma ihtimalinden daha yüksek. Ve basitçe yanlış olma ihtimali de hâlâ büyük
Yine de 1 mm’den küçük süperiletken parçacıkların varlığı bile başlı başına devasa bir keşif olur