- Trong LK99, vật liệu thu hút sự quan tâm sau báo cáo về khả năng siêu dẫn ở nhiệt độ và áp suất phòng, các tính toán lý thuyết phiếm hàm mật độ đã xác nhận một dải phẳng cô lập tương quan ở mức Fermi
- Dải phẳng này hình thành do sự kết hợp giữa biến dạng cấu trúc do ion Cu tạo ra và sóng mật độ điện tích bất đối xứng gương của cặp electron đơn độc Pb(2) 6s²; vật lý năng lượng thấp có thể được giải thích phần lớn bằng mô hình 2 dải tối thiểu
- Khi Cu đi vào vị trí Pb(1), các hằng số mạng a và c lần lượt giảm từ 9.875 Å xuống 9.738 Å và từ 7.386 Å xuống 7.307 Å; vùng quanh Cu hình thành phối trí lăng trụ tam giác Jahn-Teller bị biến dạng
- Độ rộng tối đa của dải Cu-d cô lập được tính toán là khoảng 130 meV và nó cách các dải hóa trị còn lại 160 meV, nhưng khi Cu đi vào vị trí Pb(2) thì không xuất hiện dải d tương quan ở mức Fermi
- Vị trí Pb(2) được tính toán là ổn định hơn vị trí Pb(1) 1.08 eV, nên việc ổn định hóa bằng tổng hợp sự thay thế Cu vào vị trí Pb(1), cần thiết cho mẫu siêu dẫn khối, vẫn là ràng buộc then chốt
Đối tượng và phương pháp tính toán
- Vật liệu được xét là apatite phosphat chì thay thế Cu CuPb9(PO4)6(OH)2, được tính toán nhằm hiểu mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của LK99
- Tính toán cấu trúc điện tử được thực hiện bằng lý thuyết phiếm hàm mật độ dựa trên VASP, với Hubbard-U được áp dụng để hiệu chỉnh việc định xứ chưa đủ của trạng thái Cu-d
- Giá trị U được thử từ 2 eV đến 6 eV, và các kết quả chính tương tự về mặt định tính với mọi giá trị
- Các kết quả trong bài dựa trên tính toán U = 4 eV, khớp với hằng số mạng thực nghiệm trong phạm vi 1%
- Công thức tổng quát của apatite là A10(TO4)6X2±x; ở đây cấu trúc Pb10(PO4)6(OH)2 được dùng làm điểm xuất phát
Cặp electron đơn độc của Pb và cấu trúc apatite
- Apatite phosphat chì có cấu trúc trong đó các lăng trụ PbO6 và tứ diện PO4 chia sẻ cạnh để tạo nên khung, còn bên trong được lấp đầy bởi Pb6(OH)2
- Trong cấu trúc có hai loại vị trí Pb
- Pb(1): cùng với các tứ diện PO4 tạo thành toàn bộ khung
- Pb(2): đóng vai trò quan trọng đối với tính liên kết Pb-O quanh các cột trung tâm lục giác và độ nghiêng của các đa diện
- Pb(1) và Pb(2) đều có cặp electron đơn độc 6s², nhưng trong hàm định xứ electron được tính toán, chỉ cặp electron đơn độc Pb(2) là hoạt động về mặt lập thể hóa học
- Cặp electron đơn độc Pb(2) tạo thành một sắp xếp bất đối xứng gương với trục a một góc khoảng 105°, đẩy các nguyên tử oxy xung quanh một cách bất đối xứng và tạo ra sóng mật độ điện tích bất đối xứng gương
- Vì các oxy này chia sẻ cạnh với PO4, biến dạng cấu trúc khởi phát từ cặp electron đơn độc Pb(2) lan truyền ra toàn bộ cấu trúc
Tái cấu trúc do thay thế Cu gây ra
- Khi Cu thay thế tại vị trí Pb(1), hằng số mạng giảm
- a: 9.875 Å → 9.738 Å
- c: 7.386 Å → 7.307 Å
- Sự thay đổi hằng số mạng được tính toán cho thấy mức co cấu trúc lớn hơn so với thay đổi trước và sau thay thế Cu trong báo cáo trước đó
- Báo cáo trước: a là 9.865 Å→9.843 Å, c là 7.431 Å→7.428 Å
- Thay thế Cu gây ra biến dạng cấu trúc toàn cục, làm thay đổi số phối trí không chỉ tại vị trí Cu mà cả ở các vị trí Pb(1) khác từ 9 xuống 6
- Biến dạng này chủ yếu bắt nguồn từ độ nghiêng của đa diện PO4 và chuyển động của các oxy lân cận có chung cạnh
- Trong phân tích mode phonon thích ứng đối xứng, biên độ của các mode Γ1 và Γ2 lần lượt là 1.19 Å và 1.78 Å
- Cu²⁺ liên kết với 6 oxy để hình thành phối trí lăng trụ tam giác Jahn-Teller bị biến dạng
- Độ dài liên kết Cu-O là 2.06 Å ở phía có P lân cận và 2.35 Å ở phía không có P
- Hai tam giác oxy trên và dưới thể hiện dạng Bailar twist, xoay khoảng 24°
- Môi trường Cu bất đối xứng như vậy cũng có thể ảnh hưởng đến lưỡng cực cục bộ theo hướng z
Dải phẳng cô lập ở mức Fermi
- Trong tính toán cấu trúc điện tử phân cực spin, xuất hiện một tập hợp dải phẳng cô lập cắt qua mức Fermi
- Độ rộng dải tối đa khoảng 130 meV
- Khoảng tách với các dải hóa trị còn lại là 160 meV
- Độ rộng dải hẹp được diễn giải là dấu hiệu của dải tương quan mạnh, đồng thời liên quan đến độ dài liên kết Cu-O và môi trường phối trí Cu bất thường
- Trong trường tinh thể lăng trụ tam giác bị biến dạng, với cấu hình d9 của Cu²⁺, dự kiến sẽ có trạng thái bán lấp đầy của dải suy biến kép dyz/dxz
- Trong tính toán cũng xuất hiện hai dải mang tính chất dyz/dxz ở trạng thái bán lấp đầy tại mức Fermi
- Vật lý năng lượng thấp có thể được mô tả bằng mô hình 2 dải dyz/dxz, tương tự mô hình từng được đề xuất cho các chất siêu dẫn Fe-pnictide
- Nếu chỉ thay thế đơn giản Pb(1) bằng Cu mà không thư giãn cấu trúc, trạng thái Cu-d vẫn nằm trong các dải hóa trị khối và không hình thành dải cô lập
- Dải Cu-d phẳng cô lập bắt nguồn từ tái cấu trúc và môi trường trường tinh thể của mạng apatite hơn là từ bản thân sự thay thế đơn giản
Khả năng siêu dẫn và các ràng buộc còn lại
- Cấu trúc trong đó Cu đi vào vị trí Pb(1) thể hiện một số đặc trưng được chú ý ở các chất siêu dẫn nhiệt độ cao
- Dải d cô lập rất phẳng
- Dao động từ khả dĩ
- Khả năng có dao động điện tích và phonon
- Dải phẳng từ lâu đã được xem là mục tiêu để đạt TC cao theo quan điểm lý thuyết BCS; nếu mật độ trạng thái phân kỳ trong dải phẳng, TC có thể tỉ lệ với cường độ tương tác
- Trong hệ này, nhiều ứng viên dao động liên quan đến tạo cặp được xác nhận trong tính toán
- Sóng mật độ điện tích do sắp xếp bất đối xứng gương của cặp electron đơn độc Pb(2) tạo ra
- Hai mode phonon zone-center gây biến dạng cấu trúc toàn cục do thay thế Cu
- Tương tác trao đổi giữa các Cu ở ô đơn vị lân cận
- Tương tác trao đổi Cu-Cu cho thấy ưu tiên khác nhau tùy theo hướng
- Theo hướng trục c, ở khoảng cách Cu-Cu 7.307 Å, liên kết sắt từ thuận lợi hơn phản sắt từ 2 meV/Cu
- Trong mặt phẳng, ở khoảng cách Cu-Cu 9.738 Å, liên kết phản sắt từ thuận lợi hơn 7 µeV/Cu
- Kết quả này phụ thuộc vào giả định không thực tế rằng Cu nằm ở cùng vị trí thay thế trong mỗi ô đơn vị
- Khi Cu thay thế tại vị trí Pb(2), cấu trúc tái sắp xếp sang đối xứng P1 thấp hơn và Cu hình thành phối trí tứ diện với oxy
- Trong trường hợp này không xuất hiện dải d tương quan cắt qua mức Fermi
- Thay thế Pb(2) thuận lợi hơn về năng lượng so với thay thế Pb(1) 1.08 eV, nên việc tổng hợp để đạt thay thế ở vị trí Pb(1) mong muốn có thể khó khăn
1 bình luận
Ý kiến trên Hacker News
Có vẻ khả năng LK-99 là thật đang ngày càng lớn hơn. Bài báo này là một bài lý thuyết, và cho rằng sự thay thế Cu cụ thể vào vị trí của một nguyên tử Pb nhất định là chìa khóa tạo ra cấu trúc dải thường thấy ở các chất siêu dẫn nhiệt độ cao
Nói thực tế, điều đó nghĩa là việc tổng hợp LK-99 siêu dẫn không đơn giản; nó chỉ hoạt động khi tạo được một hợp kim thay thế đúng cách
Đây là một bài báo DFT, bàn rằng cấu trúc dải thấy trong các chất siêu dẫn nhiệt độ cao đã xuất hiện một cách tự nhiên, và liên kết electron-phonon mạnh—thứ luôn cần cho tính siêu dẫn—cũng phát sinh tự nhiên từ cấu trúc
Trong tất cả những gì đã thấy đến nay, đây là điều khiến tôi phấn khích nhất về khả năng nó là chất siêu dẫn ở nhiệt độ phòng và áp suất thường
Nhìn một cách ngây thơ, nếu LK-99 là thật thì có vẻ gần như nó được phát hiện nhờ may mắn
Tôi tự hỏi liệu lý thuyết vật lý chất rắn cũng bị thiếu ràng buộc tương tự đến mức có thể khớp lý thuyết với bất kỳ kết quả nào, hay bài báo này thật sự có ý nghĩa
Sau đó lọc ra những vật liệu dễ chế tạo và phổ biến để thử nghiệm trước là được; tôi không biết mình đang bỏ sót điều gì
Dù LK99 không phải là thật, 2 tuần vừa qua vẫn cực kỳ thú vị. Tôi chẳng biết gì về khoa học vật liệu, nhưng đã tận hưởng niềm đam mê thuần túy và sự lạc quan mà giới khoa học thể hiện, và cảm thấy như mình là một phần của điều gì đó độc đáo, đặc biệt—điều có lẽ chỉ có thể xảy ra nhờ truyền thông đại chúng dễ tiếp cận
Sự hào hứng ở đây gần như có thể chạm vào được, và tôi thấy mình may mắn khi được chia sẻ khoảnh khắc cực nhỏ này trong lịch sử nhân loại với nhiều người đến vậy
Rồi tôi nhớ rằng chúng ta đang ở xa hơn họ trên cây công nghệ, và đó là một món quà lớn đến mức nào. Thật sự rất phấn khích khi chứng kiến cây công nghệ được cập nhật theo thời gian thực
Trái với lối suy nghĩ tập thể u ám hiện nay, tôi cho rằng tương lai của nhân loại rất tươi sáng, đến mức đôi khi còn thấy ghen tị với các thế hệ tương lai
Bài báo này là về việc một nhà nghiên cứu thuộc Lawrence Berkeley National Laboratory mô phỏng LK99 và tìm thấy những đặc trưng liên quan đến chất siêu dẫn nhiệt độ cao
Ở đoạn cuối ngay trước phần lời cảm ơn, bài báo chỉ ra một đặc điểm có thể khiến việc tổng hợp trở nên khó khăn, rồi kết luận: “Tuy nhiên, chúng tôi kỳ vọng việc xác định họ vật liệu mới này sẽ thúc đẩy thêm các nghiên cứu về khoáng apatite pha tạp, vì có những tín hiệu lý thuyết thú vị và báo cáo thực nghiệm về khả năng siêu dẫn Tc cao”
Nói thêm, tôi là người bỏ học trung học và từng làm việc trong một dự án vật lý
“Nhưng khi thay thế ở Pb(2) khác, dù đó là vị trí thay thế có năng lượng thấp hơn, dường như các tính chất mong muốn đó không xuất hiện. Kết quả này cho thấy thách thức trong tổng hợp là phải bảo đảm sự thay thế Cu ở đúng vị trí để thu được mẫu siêu dẫn khối”
Giờ tôi thật sự bắt đầu tin rằng LK-99 có thể đúng là thật
Hoài nghi vẫn ở mức cao, và tất nhiên nên như vậy, nhưng những thứ vốn có thể đạt được song khó khám phá đang nhanh chóng mở ra. Tiếp theo sẽ là thứ gì sụp đổ?
Tôi biết mình đang tỏ ra kiêu ngạo phi lý, và khả năng đây vẫn là nhầm lẫn hoặc gian lận vẫn cao hơn. Dù vậy, AI, không gian, điều trị ung thư, nghiên cứu lão hóa, xe điện, thậm chí cả xe bay và nhiệt hạch—các khoản đầu tư dài hạn dường như đang nhanh chóng tiến gần đến ngày hái quả, nên đây là một thời đại rất đáng sống
Tôi thắc mắc liệu có cách nào ép Cu vào đúng vị trí, hay con đường phía trước là tìm các vật liệu mới có tính chất tương tự
Nếu LK-99 hay vật liệu tương tự thật sự có khả năng là chất siêu dẫn Tc cao, những người thông minh sẽ chuẩn bị gì? Khoản đầu tư tốt là gì, công ty nào sẽ xuất hiện hoặc các công ty hiện có sẽ chuyển hướng ra sao?
Cần kéo những nhân lực kỹ thuật thông minh và tận tâm nhất ra khỏi việc phát triển ứng dụng CRUD được trả gấp 10 lần lương học thuật, đưa họ trở lại phòng thí nghiệm
Nếu phát hiện này là thật thì chúng ta đã may mắn. Theo câu chuyện LK-99 đã biết, chuyện này suýt nữa đã không xảy ra, và hệ thống hiện tại không được thiết kế để tạo ra những phát hiện như vậy một cách nhanh chóng
Việc chi hàng tỷ đô la cho nghiên cứu cơ bản kiểu “cứ tìm thứ quan trọng đi” là cực kỳ rẻ so với cái giá nhân loại phải trả khi sống mà không có chất siêu dẫn Tc cao
Năng lượng xanh bỗng trở nên thực tế hơn nhiều. Các dự án siêu lớn ở những vị trí hiệu quả nhất có thể truyền năng lượng đi xa và lưu trữ gần như không tổn thất, qua đó phần nào làm dịu biến động theo khu vực. Điều này đặc biệt đúng nếu có thể có một lưới điện toàn cầu tích hợp trong một trật tự thế giới đáng tin cậy
Tôi đã đọc rằng LK99 có thể có giới hạn trong việc mang dòng điện lớn, nhưng các cách tiếp cận khác có thể tốt hơn
Xe điện sẽ có thay đổi lớn trên thị trường nhờ cải thiện ở động cơ, pin, thời gian sạc và trọng lượng. Chúng cũng an toàn hơn nhiều so với phần lớn pin ô tô hiện nay
Trong điện toán, transistor không điện trở nhanh, mát và hiệu quả sẽ là một đột phá lớn. Hiệu năng linh kiện tiên tiến sẽ nhảy vọt theo bậc, và các hyperscaler đám mây sẽ cải tổ hoàn toàn hạ tầng tính toán. TSMC và ASML có thể chứng kiến đơn hàng mới tăng khổng lồ
Tất nhiên, cú đặt cược đầu tiên là đi theo các bằng sáng chế. Ngoài ra, lựa chọn của tôi là các doanh nghiệp công nghiệp tạo ra thứ dùng để chế tạo thứ khác, như công ty tự động hóa nhà máy; tiếp đó là TSMC, ASML, và có lẽ các công ty như Apple/AWS, những nơi nhu cầu đối với sản phẩm có tích hợp công nghệ siêu dẫn nhiệt độ phòng sẽ tăng vọt
Tất nhiên, khi hiểu được nguyên lý hoạt động, nhiều người sẽ dồn nghiên cứu vào các quy trình đáng tin cậy hơn, nhưng sẽ mất thời gian. Tôi không biết liệu có một con đường tiến lên rõ ràng hay không
Ví dụ, nếu đó là vật liệu cực kỳ dễ vỡ thì phạm vi ứng dụng sẽ bị hạn chế
Xin điểm qua vài điều
Nếu không có, thì dù đây không phải bằng chứng cho việc nó là chất siêu dẫn, nó vẫn đáp ứng thêm một tính chất được kỳ vọng dựa trên các bằng chứng liên quan đến siêu dẫn có được đến nay
Trong luồng này có nhiều sự lạc quan, nhưng tôi tò mò DFT hay bất kỳ mô hình lý thuyết nào thực sự có năng lực dự đoán trong hóa học lượng tử đến đâu. Tôi luôn có ấn tượng rằng trong lĩnh vực này, cuối cùng kết quả mới là bằng chứng
Tôi cũng mong điều này là thật, nhưng tôi không đặt nhiều trọng lượng vào DFT nếu nó không tính các đại lượng quan sát được. Vì vậy bạn nói đúng
Ngay cả khi kết quả nhìn bề ngoài có vẻ tốt, chúng vẫn có thể lệch xa thực tế đối với cả những phân tử rất đơn giản. Đây là mạng tinh thể, nên tôi sẽ nhìn DFT và các kết quả tính toán khác với rất nhiều hoài nghi
LDA-DFT có khả năng không tốt lắm như trong đa số trường hợp, nhưng dù LK99 có thể không phải điểm mạnh, tôi vẫn rất tò mò về các phép tính DFT+GW
Việc này hoàn toàn khác với quá trình tìm kiếm hợp chất có tính chất cụ thể, và kiểu tìm kiếm đó là một quy trình dễ sai hơn nhiều
Tôi vẫn hoài nghi, nhưng nó đem lại một chút hy vọng; và nếu vật liệu này thật sự là chất siêu dẫn, kiểu phân tích này sẽ hữu ích để hiểu thêm về siêu dẫn nhiệt độ cao. Ngay cả nếu nó không phải chất siêu dẫn, nếu phân tích này đúng thì chỉ riêng việc biết điểm khác biệt là gì cũng đã thú vị
Thấy phần tóm tắt có nhiều lỗi ngữ pháp nên hơi buồn cười. Có lẽ vì tác giả không phải người bản ngữ tiếng Anh, nhưng nghe như sau một cuộc marathon 20 tiếng trong phòng thí nghiệm và quá nhiều caffeine, cuối cùng họ cũng có kết quả rồi gõ bài báo trong trạng thái cuống cuồng :D
https://en.wikipedia.org/wiki/Sin%C3%A9ad_Griffin
Giải thích bằng “tiếng Anh dễ hiểu”: https://nitter.net/Andercot/status/1686215574177841152#m
Một điều đáng kinh ngạc là sau khi transistor lần đầu được phát triển, phải mất khoảng 5 năm nó mới bắt đầu được tích hợp vào hàng tiêu dùng
LK-99 trông đầy hứa hẹn, và ít nhất có thể tạo ra những phát hiện thú vị ở các nhánh bên. Nếu đây thật sự là “thứ đó”, đặc biệt nếu việc tổng hợp tương đối đơn giản, ta có thể thấy các ứng dụng thương mại nhanh hơn nhiều. Khó có thể ở một dòng thời gian nào thú vị hơn thế này
Vật liệu này, kể cả giả sử mọi thứ đều đúng, thì cũng gần với mức dấu hiệu đầu tiên rằng diode bán dẫn có thể khả thi hơn. Nó vẫn phải đạt đến giai đoạn transistor, tức là giai đoạn có thể chế tạo được vài cm vật dẫn dùng được, dù đắt đỏ
Sau đó mới có thể nghĩ đến sản xuất hàng loạt theo chiều dài mong muốn và thương mại hóa. Vì vậy, từ góc nhìn khoa học vật liệu nghiêm ngặt, ngay cả khi mọi điều cho đến nay đều đúng thì vẫn còn khối lượng việc khổng lồ phải làm
Ngay cả khi toàn bộ khối vật liệu không phải là chất siêu dẫn, vẫn khá có khả năng có những vùng nhỏ là chất siêu dẫn; thật ra khả năng đó còn cao hơn khả năng toàn bộ khối là chất siêu dẫn. Và khả năng đơn giản là sai vẫn còn lớn
Dù vậy, chỉ cần có các hạt siêu dẫn nhỏ hơn 1mm thì đó đã là một phát hiện khổng lồ