นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยพรินซ์ตันในสหรัฐอเมริกาได้กลายเป็นกลุ่มแรกที่สังเกตเห็นกระแสยิ่งยวดที่ขอบของตัวนำยิ่งยวดซึ่งแตกต่างอย่างมากกับกระแสยิ่งยวดในกลุ่มวัสดุ “ตัวนำยิ่งยวดทอพอโลยี” นี้อาจมีประโยชน์สำหรับแอปพลิเคชันใหม่จำนวนมาก วัสดุเชิงทอพอโลยีเป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติที่แตกต่างกันมากที่พื้นผิวเมื่อเทียบกับวัสดุที่มีปริมาณมาก ต้องขอบคุณ “สถานะขอบ”
ที่มีการป้องกันทางทอพอโลยีพิเศษ ฉนวนทอพอโลยี
วัสดุที่ทำหน้าที่เป็นฉนวนภายใน แต่นำกระแสบนพื้นผิวของพวกมัน – เป็นประเด็นร้อนในการวิจัยเรื่องย่อมาหลายปีแล้ว แต่สารตัวนำยิ่งยวดของพวกมันได้รับการศึกษาน้อยกว่า เพื่อค้นหาว่าจะเกิดอะไรขึ้นเมื่อภายในของวัสดุทอพอโลยีไม่ใช่ฉนวนแต่เป็นตัวนำยิ่งยวดนายพวน อองและเพื่อนร่วมงานจึงหันมาสนใจโมลิบดีนัม ไดเทลลูไรด์ (MoTe 2 ) วัสดุนี้เป็นWeyl semimetalซึ่งเป็นชั้นวัสดุทอพอโลยีที่เพิ่งค้นพบเมื่อเร็วๆ นี้ ซึ่งอิเล็กตรอน (ซึ่งเป็นเฟอร์มิออนและมีสปิน-1/2)
มีพฤติกรรมราวกับว่าพวกมันไม่มีมวล อนุภาคที่มีพฤติกรรมแปลกประหลาดเหล่านี้ทำนายในปี 1929 โดยนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎี Herman Weyl เพื่อแก้ปัญหาสมการ Dirac (ซึ่งอธิบายฟิสิกส์ของ fermion ปกติ) และพวกมันเดินทางได้เร็วกว่าและกระจายพลังงานน้อยกว่าอิเล็กตรอนในโลหะธรรมดาหรือเซมิคอนดักเตอร์ พวกเขายังแสดง “เอฟเฟกต์แม่เหล็ก chiral” เมื่อวางไว้ในสนามแม่เหล็ก ซึ่งสร้างกระแสของอนุภาค Weyl บวกและลบที่เคลื่อนที่ขนานกันและขนานไปกับสนาม
รูปแบบฟันเลื่อยในการสั่นของกระแสไฟวิกฤตนักวิจัยเริ่มต้นด้วยการเตรียมเศษผลึกของ MoTe 2ที่มีความหนาระหว่าง 60 ถึง 120 นาโนเมตร จากนั้นพวกเขาก็ทำให้ตัวอย่างผลึกเหล่านี้เย็นลงให้ต่ำกว่า 100 มิลลิเคลวิน ซึ่ง เป็นอุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านของตัวนำยิ่งยวดของ MoTe 2 จากนั้น พวกเขาใช้สนามแม่เหล็กอ่อนกับตัวอย่างขณะวัดกระแสที่ไหลผ่านพวกมัน
ทีมงานของพรินซ์ตันได้สังเกตปริมาณที่เรียกว่ากระแสวิกฤตที่แกว่งไปมาในรูปแบบฟันเลื่อย เมื่อพวกเขาเพิ่มสนามแม่เหล็กที่ใช้ ทั้งความสูงและความถี่ของการแกว่งเหล่านี้เข้ากันได้ดีกับการคาดการณ์ว่าความผันผวนเหล่านี้เกิดขึ้นจากพฤติกรรมควอนตัมของอิเล็กตรอนที่จำกัดอยู่ที่ขอบของวัสดุได้อย่างไร
ในวัสดุตัวนำยิ่งยวด อิเล็กตรอนจะเอาชนะแรงผลักไฟฟ้า
สถิตร่วมกันเพื่อสร้างคู่คูเปอร์ด้วยปฏิกิริยาระหว่างอิเล็กตรอนกับการสั่นสะเทือนของผลึกขัดแตะของวัสดุ คู่เหล่านี้จะทำหน้าที่เป็นโบซอนซึ่งมีการหมุนเป็นจำนวนเต็ม ซึ่งหมายความว่าสามารถควบแน่นเพื่อสร้างสถานะ “ซุปเปอร์ฟลูอิด” ซึ่งทำหน้าที่เป็นเอนทิตีเดี่ยว โดยนำกระแสไฟฟ้าผ่านวัสดุที่ไม่มีความต้านทานที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านของวัสดุ
ปรับความเร็วของไหลยิ่งยวดใน MoTe 2และ Weyl semimetals อื่น ๆ การจับคู่อิเล็กตรอนแบบคูเปอร์ในกลุ่มนี้ดูเหมือนจะทำให้เกิดการจับคู่ที่คล้ายคลึงกันที่ขอบ Ong กล่าว รูปแบบฟันเลื่อยในกระแสวิกฤตเมื่อสนามแม่เหล็กเพิ่มขึ้นจะมาจากความจริงที่ว่าความเร็วของไหลยิ่งยวดปรับเพื่อรักษาจำนวนเต็มของการบิดโดยรวมในเฟสของฟังก์ชันคลื่นของตัวนำยิ่งยวด
ออกเสียง Weyl fermionsในขณะที่เขาและเพื่อนร่วมงานของเขากล่าวว่าพวกเขายังไม่เข้าใจอย่างถ่องแท้ถึงเหตุผลว่าทำไม edge supercurrent ยังคงไม่ขึ้นกับกระแส supercurrent จำนวนมาก พวกเขาเชื่อว่ามันอาจมาจากสถานะ edge ที่ ได้รับการปกป้องทางทอพอโลยีใน MoTe 2 เพื่อค้นหาว่าสิ่งนี้เป็นจริงหรือไม่ พวกเขาวางแผนที่จะทำซ้ำการทดลองกับตัวนำยิ่งยวดแหกคอกอื่นๆ และค้นหากระแสยิ่งยวดขอบที่คล้ายกัน
แม้ว่าตัวนำยิ่งยวดแบบเดิมจะใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านต่างๆ เช่น การถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก (MRI) และสายส่งทางไกล แต่ตัวนำยิ่งยวดชนิดใหม่เช่นนี้สามารถช่วยให้เราก้าวข้ามข้อจำกัดของเทคโนโลยีตัวนำยิ่งยวดที่คุ้นเคยได้ Ong กล่าว
วัสดุโครงโลหะอินทรีย์แบบใหม่ที่ยึดตามอลูมิเนียม
สามารถเก็บไฮโดรเจนและมีเทนจำนวนมากที่ความดันค่อนข้างต่ำ นักวิจัยจาก Northwestern University ในสหรัฐอเมริกาซึ่งพัฒนาวัสดุดังกล่าวอาจนำไปใช้ในการลำเลียงพลังงานสะอาดในรถยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยเซลล์เชื้อเพลิง
ในปี 2560 ยานพาหนะขนส่ง (รวมถึงรถยนต์ รถบรรทุก เครื่องบิน รถไฟ และเรือ) แซงหน้าโรงไฟฟ้าเป็นแหล่งปล่อยก๊าซเรือนกระจกที่ใหญ่ที่สุดในสหรัฐอเมริกา ส่วนแบ่งของการปล่อยมลพิษจากการขนส่งยังคงเพิ่มขึ้นอีกในปี 2018 และแนวโน้มคาดว่าจะดำเนินต่อไป ทำให้การค้นหาแหล่งพลังงานทางเลือกที่เป็นมิตรต่อการขนส่งมีความสำคัญมากขึ้น
ก๊าซมีเทนและไฮโดรเจนมักถูกขนานนามว่าเป็นสารทดแทนน้ำมันดีเซลและน้ำมันเบนซินในรถยนต์ ในขณะที่มีเทนถือเป็นเชื้อเพลิง “การเปลี่ยนผ่าน” เนื่องจากการเผาไหม้ยังคงปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (แม้ว่าจะน้อยกว่าน้ำมันเบนซิน) ไฮโดรเจนก็ได้รับการยกย่องว่าเป็น “เชื้อเพลิงแห่งอนาคต” เนื่องจากการเผาไหม้ไม่ก่อให้เกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์หรือมลพิษที่เป็นอนุภาค .
ปัญหาคือเนื่องจากทั้งไฮโดรเจนและมีเทนเป็นก๊าซที่อุณหภูมิแวดล้อม พวกเขาจึงต้องถูกบีบอัดและเก็บไว้ที่แรงดันสูง (700 บาร์และ 250 บาร์ตามลำดับ) ทุกครั้งที่มีการขนส่งและจัดเก็บ เนื่องจากแรงดันสูงดังกล่าวสามารถสร้างอันตรายให้กับผู้ขับขี่และผู้อื่นที่เกี่ยวข้องกับการจัดการเชื้อเพลิงที่เก็บไว้ ขีดจำกัดแรงดันการจัดเก็บสูงสุดสำหรับยานพาหนะในโลกแห่งความเป็นจริงจึงตั้งไว้ที่ 100 บาร์ ซึ่งช่วยลดปริมาณก๊าซที่สามารถจัดเก็บในพื้นที่ที่กำหนดได้อย่างมาก
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิจัยได้ตรวจสอบวัสดุดูดซับที่มีรูพรุนที่มีพื้นผิวสูงเพื่อเพิ่มปริมาณก๊าซที่สามารถเก็บไว้ในปริมาตรที่กำหนดโดยไม่ต้องเพิ่มแรงดัน กรอบโลหะอินทรีย์ (MOFs) ซึ่งมีพื้นที่ผิว 2,000m 2 /g หรือมากกว่านั้นถือเป็นตัวเลือกที่มีแนวโน้มดี วัสดุที่เป็นผลึกสูงเหล่านี้ประกอบด้วยโมเลกุลอินทรีย์และไอออนโลหะหรือกระจุกที่ประกอบเข้าด้วยกันเป็นโครงสร้างหลายมิติ และออกแบบได้ง่ายด้วยคุณสมบัติทางเคมีของรูพรุนและรูปทรงที่ปรับแต่งได้
ทีม Northwestern นำโดยOmar Farhaได้ใช้การจำลองระดับโมเลกุลเพื่อแจ้งการออกแบบ MOF ที่มีรูพรุนเป็นพิเศษโดยอิงจากคลัสเตอร์ไตรนิวเคลียร์ที่เรียกว่า NU-1501-M (โดยที่ M คือ Al หรือ Fe)นักวิจัยพบว่า NU-1501-Al มีประสิทธิภาพในการจัดเก็บไฮโดรเจนและมีเทนสูง (มวล) และปริมาตร (ขนาด) อันที่จริง วัสดุที่พิสูจน์แล้วว่าสามารถเก็บก๊าซมีเทนได้ 0.66 กรัมต่อกรัมของวัสดุที่ 100 บาร์และ 270K ซึ่งเป็นค่าที่เกินเป้าหมาย 0.5 g/g ที่กำหนดโดยกระทรวงพลังงานสหรัฐ (DOE)
Credit : galleryworld.net garybaughman.net genericcanadatadalafil.net globalfreeenergy.info grantstreetgallery.net
