Nowe trójskładnikowe związki wodorowane...

Nowe trójskładnikowe związki wodorowane: wysokotemperaturowy stan nadprzewodzący w warunkach niskiego ciśnienia

Kierownik projektu w PCz: Artur Durajski (WE/KAEO)

Data rozpoczęcia projektu: 20-06-2023
Data zakończenia projektu: 19-06-2027
Słowa kluczowe: ciśnienie; nadprzewodnictwo; związki wodorowane
Dyscyplina naukowa (Ustawa 2.0): inżynieria materiałowa (IM): 50%: nauki fizyczne (NF): 50%

Opis:
Jak pokazują najnowsze wyniki badań, nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej jest realnie możliwe do uzyskania. Jednakże, zastosowania praktyczne tego rodzaju materiałów na dużą skalę są wyraźnie utrudnione przez wysokie ciśnienia potrzebne do ustabilizowania ich struktury krystalicznej i wywołania stanu metalicznego oraz nadprzewodzącego. Do tej pory prawie wszystkie binarne związku wodorowane zostały zbadane teoretycznie, a wiele z nich zostało zsyntezowanych. Dlatego działąnia w ramach projektu są ukierunkowane na zbadanie właściwości nadprzewodzących systemów trójskładnikowych, w celu znalezienia materiału, który wykazuje lepsze parametry termodynamiczne niż dotychczas znane związki dwuskładnikowe. W szczególności, zakres badania obejmuje znalezienie stabilnych struktur w systemach o stechiometrii S-X-H, La-X-H i Y-X-H, gdzie X oznacza lekkie pierwiastki z bloku p (C, B, N, Al, Si, P), ze szczególnym uwzględnieniem stabilności w niższych ciśnieniach. Ta strategia wynika z faktu, że gęstość stanów fononowych układów binarnych składa się z oddzielnych obszarów - obszaru niskiej częstotliwości związanych z atomami ciężkich pierwiastków oraz obszaru wysokich częstotliwości wynikających z drgań atomów wodoru. Dodanie trzeciego składnika o średniej masie może wypełnić lukę w gęstości stanów fononowych i znacząco zmienić właściwości nadprzewodzące systemu. Przewiduje się znaczny wzrost wartości temperatury krytycznej i zmniejszenie wartości ciśnienia. W ramach projektu będziemy poszukiwać stabilnych struktur krystalicznych, korzystając z metody optymalizacji roju cząstek zaimplementowanej w kodzie CALYPSO, który odnosi duże sukcesy w przewidywaniu układów nadprzewodzących. Na podstawie danych eksperymentalnych zebranych z literatury, zostaną wygenerowane początkowe struktury. Wszystkie najbardziej energetycznie korzystne struktury będą poddane bardziej szczegółowym badaniom. Obliczenia strukturalne, elektroniczne, dynamiki sieciowej i sprzężenia elektron-fonon będą przeprowadzone w ramach kwantowo-mechanicznych metod obliczeniowych: teorii funkcjonału gęstości (DFT) oraz teorii perturbacyjnej funkcjonału gęstości (DFPT) zaimplementowanych w pakiecie Quantum Espresso. Obliczone właściwości elektroniczne pozwolą na klasyfikację związków trójskładnikowych jako materiałów metalicznych lub niemetalicznych. Następnie, zostaną obliczone funkcje spektralne elektron-fonon, aby oszacować wartość sprzężenia elektron-fonon. Podstawowym celem projektu jest ustalenie właściwości termodynamicznych stanu nadprzewodzącego w zidentyfikowanych wodorkach trójskładnikowych. W tym celu zostanie zastosowana teoria Migdala-Eliashberga, która uwzględnia efekty silnego sprzężenia charakterystyczne dla tego rodzaju wysokotemperaturowych nadprzewodników. Równania Eliashberga zostaną rozwiązane na podstawie uzyskanych funkcji Eliashberga, a wyniki dostarczą informacji m.in. o temperaturze krytycznej, krytycznym polu termodynamicznym, przerwie energetycznej czy skoku ciepła właściwego. W końcu, dla najbardziej obiecujących struktur, przeprowadzone zostaną symulacje ab initio dynamiki molekularnej (AIMD) przy różnych temperaturach, wykorzystując oprogramowanie CP2K, w celu sprawdzenia termicznej stabilności zaprojektowanych hydrydów trójskładnikowych. Takie poznanie jest pożądane z myślą o przyszłych zastosowaniach i pomoże w przygotowaniu materiałów do eksperymentów. Jest to szczególnie istotne, ponieważ końcowym zadaniem projektu jest przeprowadzenie eksperymentalnej weryfikacji najbardziej obiecujących związków trójskładnikowych. Z tego punktu widzenia, stabilność dynamiczna determinowana przez fonony jest również ważna, aby zagwarantować możliwość syntetyzowania rzeczywistych próbek. Eksperymentalna weryfikacja przewidywań teoretycznych planowana jest do realizacji w Max Planck Institute for Chemistry.