- Pada LK99, yang menarik perhatian karena laporan kemungkinan superkonduktivitas pada suhu dan tekanan ruang, perhitungan teori fungsi kerapatan mengonfirmasi adanya pita datar terisolasi dan berkorelasi pada tingkat Fermi
- Pita datar ini muncul dari gabungan distorsi struktural yang dibentuk ion Cu dan gelombang kerapatan muatan kiral dari pasangan elektron bebas Pb(2) 6s², dan fisika energi rendahnya sebagian besar dapat dijelaskan dengan model minimal 2-band
- Saat Cu masuk ke situs Pb(1), konstanta kisi a dan c masing-masing menyusut dari 9.875 Å→9.738 Å dan 7.386 Å→7.307 Å, dan lingkungan di sekitar Cu membentuk koordinasi prisma segitiga Jahn-Teller yang terdistorsi
- Lebar maksimum pita Cu-d terisolasi yang dihitung adalah sekitar 130 meV dan terpisah 160 meV dari pita valensi lainnya, tetapi jika Cu masuk ke situs Pb(2), pita d berkorelasi pada tingkat Fermi tidak muncul
- Situs Pb(2) dihitung 1.08 eV lebih stabil daripada situs Pb(1), sehingga stabilisasi sintesis untuk substitusi Cu pada situs Pb(1), yang diperlukan bagi sampel superkonduktor bulk, tetap menjadi kendala utama
Objek dan metode perhitungan
- Material yang dianalisis adalah apatit fosfat timbal tersubstitusi Cu CuPb9(PO4)6(OH)2, yang dihitung untuk memahami hubungan struktur dan sifat pada LK99
- Perhitungan struktur elektronik dilakukan dengan teori fungsi kerapatan berbasis VASP, dan Hubbard-U diterapkan untuk mengoreksi kurangnya pelokalan pada keadaan Cu-d
- Nilai U diuji dari 2 eV hingga 6 eV, dan hasil utamanya secara kualitatif serupa di semua nilai
- Hasil dalam naskah ini didasarkan pada perhitungan U = 4 eV, yang cocok dengan konstanta kisi eksperimen dalam selisih kurang dari 1%
- Rumus umum apatit adalah A10(TO4)6X2±x, dan di sini struktur Pb10(PO4)6(OH)2 digunakan sebagai titik awal
Pasangan elektron bebas Pb dan struktur apatit
- Apatit fosfat timbal memiliki kerangka tempat prisma PbO6 dan tetrahedron PO4 berbagi sudut, dengan bagian dalamnya diisi oleh Pb6(OH)2
- Di dalam struktur terdapat dua jenis situs Pb
- Pb(1): membentuk seluruh kerangka bersama tetrahedron PO4
- Pb(2): berperan penting dalam konektivitas Pb-O dan kemiringan polihedra di sekitar kolom pusat heksagonal
- Pb(1) dan Pb(2) sama-sama memiliki pasangan elektron bebas 6s², tetapi dalam fungsi pelokalan elektron yang dihitung, hanya pasangan elektron bebas Pb(2) yang aktif secara stereokimia
- Pasangan elektron bebas Pb(2) membentuk susunan kiral dengan sudut sekitar 105° terhadap sumbu a, lalu mendorong atom oksigen di sekitarnya secara asimetris sehingga membentuk gelombang kerapatan muatan kiral
- Karena atom-atom oksigen ini berbagi sudut dengan PO4, distorsi struktural yang bermula dari pasangan elektron bebas Pb(2) menyebar ke seluruh struktur
Rekonstruksi struktur akibat substitusi Cu
- Saat Cu menggantikan situs Pb(1), konstanta kisi menurun
- a: 9.875 Å → 9.738 Å
- c: 7.386 Å → 7.307 Å
- Perubahan konstanta kisi yang dihitung menunjukkan penyusutan struktur yang lebih besar dibanding perubahan sebelum dan sesudah substitusi Cu dalam laporan sebelumnya
- Laporan sebelumnya: a dari 9.865 Å→9.843 Å, c dari 7.431 Å→7.428 Å
- Substitusi Cu memicu distorsi struktur global yang mengubah bilangan koordinasi bukan hanya di situs Cu tetapi juga di situs Pb(1) lain dari 9 menjadi 6
- Distorsi ini terutama berasal dari kemiringan polihedra PO4 dan pergeseran tetangga oksigen yang berbagi sudut
- Dalam analisis mode fonon yang diadaptasi terhadap simetri, amplitudo mode Γ1 dan Γ2 masing-masing adalah 1.19 Å dan 1.78 Å
- Cu²⁺ berikatan dengan 6 atom oksigen dan membentuk koordinasi prisma segitiga Jahn-Teller yang terdistorsi
- Panjang ikatan Cu-O adalah 2.06 Å pada sisi yang memiliki P berdekatan, dan 2.35 Å pada sisi yang tidak memilikinya
- Dua segitiga oksigen atas dan bawah menunjukkan bentuk Bailar twist dengan rotasi sekitar 24°
- Lingkungan Cu yang asimetris ini juga dapat memengaruhi dipol lokal pada arah z
Pita datar terisolasi pada tingkat Fermi
- Dalam perhitungan struktur elektronik terpolarisasi spin, muncul sekumpulan pita datar terisolasi yang melintasi tingkat Fermi
- Lebar pita maksimum sekitar 130 meV
- Pemisahan dari pita valensi lainnya sebesar 160 meV
- Lebar pita yang sempit ditafsirkan sebagai sinyal pita berkorelasi kuat, dan juga terkait dengan panjang ikatan Cu-O serta lingkungan koordinasi Cu yang tidak biasa
- Dalam medan kristal prisma segitiga terdistorsi, untuk konfigurasi d9 dari Cu²⁺ diharapkan ada pengisian setengah pada pita degenerat ganda dyz/dxz
- Dalam perhitungan juga muncul dua pita berkarakter dyz/dxz pada tingkat Fermi dalam keadaan terisi setengah
- Fisika energi rendah dapat dijelaskan dengan model 2-band dyz/dxz, yang mirip dengan model yang pernah diusulkan untuk superkonduktor Fe-pnictide
- Jika Pb(1) hanya disubstitusi sederhana oleh Cu tanpa relaksasi struktur, keadaan Cu-d tetap berada di dalam pita valensi bulk dan tidak membentuk pita terisolasi
- Pita datar Cu-d terisolasi bukan berasal dari substitusi sederhana itu sendiri, melainkan dari rekonstruksi struktur dan lingkungan medan kristal dalam jaringan apatit
Kemungkinan superkonduktivitas dan kendala yang tersisa
- Struktur dengan Cu pada situs Pb(1) menunjukkan beberapa ciri yang banyak diperhatikan pada superkonduktor suhu tinggi
- pita d terisolasi yang sangat datar
- kemungkinan fluktuasi magnetik
- kemungkinan fluktuasi muatan dan fonon
- Pita datar telah dianggap sebagai target untuk memperoleh TC tinggi dalam perspektif teori BCS, dan jika kerapatan keadaan pada pita datar divergen, TC dapat sebanding dengan kekuatan interaksi
- Dalam sistem ini, beberapa kandidat fluktuasi terkait pembentukan pasangan teridentifikasi dalam perhitungan
- gelombang kerapatan muatan yang dibentuk susunan kiral pasangan elektron bebas Pb(2)
- dua mode fonon zone-center yang mendorong deformasi struktur global akibat substitusi Cu
- interaksi pertukaran antar Cu pada sel satuan yang berdekatan
- Interaksi pertukaran Cu-Cu menunjukkan preferensi yang berbeda bergantung arah
- Sepanjang sumbu c, pada jarak Cu-Cu 7.307 Å, kopling feromagnetik lebih menguntungkan daripada antiferomagnetik sebesar 2 meV/Cu
- Di dalam bidang, pada jarak Cu-Cu 9.738 Å, kopling antiferomagnetik lebih menguntungkan sebesar 7 µeV/Cu
- Hasil ini bergantung pada asumsi yang tidak realistis bahwa Cu menempati posisi substitusi yang sama di setiap sel satuan
- Jika Cu menggantikan situs Pb(2), struktur tersusun ulang ke simetri P1 yang lebih rendah dan Cu membentuk koordinasi tetrahedral dengan oksigen
- Dalam kasus ini, pita d berkorelasi yang melintasi tingkat Fermi tidak muncul
- Karena substitusi pada Pb(2) secara energetik 1.08 eV lebih menguntungkan daripada substitusi pada Pb(1), sintesis untuk memperoleh substitusi pada situs Pb(1) yang diinginkan bisa jadi sulit
1 komentar
Opini Hacker News
Kemungkinan LK-99 itu nyata tampaknya makin besar. Makalah ini adalah makalah teoretis, dan melihat substitusi Cu tertentu yang masuk ke posisi atom Pb tertentu sebagai kunci yang memungkinkan struktur pita yang lazim terlihat pada superkonduktor suhu tinggi
Secara praktis, ini berarti sintesis LK-99 superkonduktif tidak sederhana dan hanya akan bekerja jika kita membuat paduan substitusi yang tepat
Ini makalah DFT, dan membahas bahwa struktur pita yang terlihat pada superkonduktor suhu tinggi muncul secara alami, sementara kopling elektron-fonon kuat yang selalu diperlukan untuk superkonduktivitas juga muncul secara alami dari strukturnya
Sejauh ini, ini yang paling membuat saya bersemangat soal kemungkinan superkonduktor suhu ruang dan tekanan atmosfer
Secara naif, jika LK-99 benar, kelihatannya hampir seperti ditemukan karena keberuntungan
Saya penasaran apakah teori fisika benda padat juga sama-sama underdetermined sehingga teori bisa disesuaikan dengan hasil apa pun, atau apakah makalah ini memang benar-benar bermakna
Setelah itu, saring mulai dari yang mudah dibuat dan memakai bahan umum untuk diuji lebih dulu; saya tidak tahu apa yang saya lewatkan
Meski LK99 ternyata tidak nyata, dua minggu terakhir ini benar-benar mendebarkan. Saya sama sekali tidak tahu ilmu material, tetapi saya menikmati antusiasme dan optimisme murni yang ditunjukkan komunitas ilmiah, dan merasa menjadi bagian dari sesuatu yang unik dan istimewa yang hanya mungkin terjadi berkat komunikasi publik yang mudah diakses
Kegembiraan di sini terasa nyata, dan saya merasa beruntung bisa berbagi momen yang sangat kecil dalam sejarah manusia ini dengan begitu banyak orang
Lalu saya teringat bahwa kita berada lebih jauh di depan pada pohon teknologi dibanding mereka, dan betapa besarnya anugerah itu. Melihat pohon teknologi diperbarui secara real time benar-benar menyenangkan
Berbeda dari groupthink suram saat ini, saya percaya masa depan umat manusia cerah, sampai-sampai saya iri pada generasi mendatang
Makalah ini berisi peneliti dari Lawrence Berkeley National Laboratory yang menyimulasikan LK99 dan menemukan ciri-ciri yang terkait dengan superkonduktor suhu tinggi
Pada paragraf terakhir sebelum ucapan terima kasih, mereka menunjukkan ciri-ciri yang bisa menyulitkan sintesis, lalu menyimpulkan, “Meski demikian, kami berharap identifikasi keluarga material baru ini akan mendorong studi lebih lanjut terhadap mineral apatit terdoping, karena adanya sinyal teoretis yang menarik dan laporan eksperimen tentang kemungkinan superkonduktivitas Tc tinggi”
Sebagai catatan, saya putus sekolah SMA dan pernah bekerja di sebuah proyek fisika
“Namun, substitusi pada Pb(2) lain tampaknya tidak menampilkan sifat yang diinginkan tersebut, meskipun merupakan posisi substitusi dengan energi lebih rendah. Hasil ini menunjukkan adanya kesulitan sintesis untuk memastikan substitusi Cu pada posisi yang tepat demi memperoleh sampel superkonduktor bulk”
Sekarang saya mulai benar-benar percaya bahwa LK-99 mungkin memang benar
Skeptisisme tetap tinggi, dan memang seharusnya begitu, tetapi hal-hal yang sebenarnya dapat dicapai namun sulit ditemukan sedang terbuka dengan cepat. Apa lagi yang akan runtuh berikutnya?
Saya tahu saya sedang menunjukkan kesombongan yang tidak rasional, dan kemungkinan ini masih ilusi atau rekayasa tetap lebih besar. Namun AI, luar angkasa, terapi kanker, riset penuaan, kendaraan listrik, bahkan mobil terbang dan fusi nuklir terasa seperti investasi jangka panjang yang cepat mendekati hasilnya; ini zaman yang menyenangkan untuk hidup
Saya penasaran apakah ada cara untuk memaksa Cu masuk ke posisi yang benar, atau apakah jalan ke depan adalah mencari material baru dengan sifat serupa
Jika kemungkinan LK-99 atau material serupa benar-benar merupakan superkonduktor Tc tinggi makin besar, apa yang akan disiapkan orang-orang cerdas? Investasi yang bagus itu apa, dan perusahaan seperti apa yang akan muncul atau ke arah mana perusahaan yang sudah ada akan beralih?
Kita perlu menarik kembali tenaga teknis paling cerdas dan berdedikasi dari pengembangan aplikasi CRUD yang membayar 10 kali gaji akademik, dan membawa mereka kembali ke laboratorium
Jika penemuan ini benar, kita beruntung. Menurut kisah LK-99 yang diketahui, ini hampir saja tidak terjadi, dan sistem saat ini tidak dirancang untuk menghasilkan penemuan seperti ini dengan cepat
Menghabiskan miliaran dolar untuk riset dasar model “cari saja sesuatu yang penting” itu sangat murah dibanding biaya yang ditanggung umat manusia karena hidup tanpa superkonduktor Tc tinggi
Energi hijau tiba-tiba menjadi jauh lebih realistis. Proyek-proyek raksasa di lokasi paling efisien bisa mengirim energi jarak jauh dan menyimpannya praktis tanpa rugi, sehingga dapat meredam sebagian variabilitas regional. Ini terutama berlaku jika jaringan listrik global terpadu mungkin diwujudkan dalam tatanan dunia yang sangat andal
Saya membaca bahwa LK99 mungkin punya keterbatasan dalam membawa arus besar, tetapi pendekatan lain bisa lebih baik
Kendaraan listrik akan mengalami perubahan pasar besar karena motor, baterai, waktu pengisian, dan bobotnya membaik. Ini juga jauh lebih aman daripada kebanyakan baterai mobil saat ini
Dalam komputasi, transistor tanpa resistansi yang cepat, dingin, dan efisien akan menjadi terobosan besar. Kinerja komponen mutakhir akan melonjak bertahap, dan para hyperscaler cloud akan merombak total infrastruktur komputasinya. TSMC dan ASML bisa mendapat lonjakan pesanan baru yang luar biasa
Tentu saja taruhan pertama adalah mengikuti patennya. Selain itu, pilihan saya adalah perusahaan industri yang membuat alat untuk membuat sesuatu, seperti perusahaan otomasi pabrik; lalu TSMC, ASML, dan mungkin perusahaan seperti Apple/AWS, yang permintaan produknya akan melonjak karena mencakup teknologi superkonduktor suhu ruang
Tentu saja, jika prinsip kerjanya dipahami, banyak orang akan mencurahkan riset pada proses yang lebih andal, tetapi itu akan memakan waktu. Saya tidak tahu apakah ada jalur maju yang jelas
Misalnya, jika materialnya sangat rapuh, cakupan aplikasinya akan terbatas
Beberapa hal yang perlu dicatat
Jika tidak ada, walaupun ini bukan bukti bahwa ia superkonduktor, setidaknya ia memenuhi satu lagi sifat yang diharapkan berdasarkan bukti terkait superkonduktor yang sudah diperoleh sejauh ini
Ada banyak optimisme di thread ini, tetapi saya penasaran seberapa besar daya prediksi nyata dalam kimia kuantum dari DFT atau model teori apa pun. Saya selalu mendapat kesan bahwa di bidang ini, pada akhirnya hasil akhirnya yang menjadi bukti
Saya juga berharap ini benar, tetapi saya tidak terlalu memberi bobot pada DFT yang tidak menghitung besaran teramati. Jadi, poin itu benar
Sekalipun hasilnya tampak bagus di permukaan, untuk molekul yang sangat sederhana pun bisa sangat meleset dari kenyataan. Karena ini adalah kisi kristal, saya melihat hasil DFT dan perhitungan lain dengan kecurigaan besar
LDA-DFT kemungkinan besar tidak terlalu bagus seperti pada kebanyakan kasus, tetapi meskipun LK99 mungkin bukan kekuatannya, saya sangat penasaran dengan perhitungan DFT+GW
Ini sepenuhnya berbeda dari proses mencari senyawa dengan sifat tertentu, dan pencarian semacam itu adalah prosedur yang jauh lebih rawan kesalahan
Saya masih skeptis, tetapi ini memberi sedikit harapan, dan jika material ini benar-benar superkonduktor, analisis seperti ini berguna untuk lebih memahami superkonduktor suhu tinggi. Sekalipun bukan superkonduktor, jika analisisnya benar, mengetahui apa yang berbeda saja sudah menarik
Melihat banyaknya kesalahan tata bahasa di abstraknya, agak lucu juga. Mungkin karena penulisnya bukan penutur asli bahasa Inggris, tetapi kedengarannya seperti setelah maraton 20 jam di lab dan kafein berlebihan, akhirnya mendapatkan hasil lalu mengetik makalahnya dengan kalang kabut :D
https://en.wikipedia.org/wiki/Sin%C3%A9ad_Griffin
Penjelasan dalam “bahasa Inggris sederhana”: https://nitter.net/Andercot/status/1686215574177841152#m
Satu hal yang mengejutkan adalah, setelah transistor pertama kali dikembangkan, butuh sekitar 5 tahun sampai mulai diintegrasikan ke produk konsumen
LK-99 terlihat menjanjikan, dan setidaknya bisa menghasilkan temuan-temuan menarik sebagai cabang sampingan. Jika ini benar-benar “yang itu”, terutama jika sintesisnya relatif sederhana, kita mungkin bisa melihat aplikasi komersial jauh lebih cepat. Rasanya tidak mungkin berada di lini masa yang lebih menarik dari ini
Bahan ini, andaipun semuanya benar, lebih mirip pada tingkat tanda-tanda awal bahwa dioda semikonduktor mungkin dapat dibuat. Masih harus mencapai tahap transistor, yaitu tahap ketika konduktor yang bisa dipakai sepanjang beberapa cm dapat diproduksi meskipun mahal
Baru setelah itu kita bisa memikirkan produksi massal dengan panjang yang diinginkan dan komersialisasi. Jadi dari sudut pandang ilmu material yang ketat, sekalipun semua yang ada sejauh ini benar, masih ada sangat banyak pekerjaan yang harus dilakukan
Meski keseluruhan bulk-nya bukan superkonduktor, cukup mungkin ada area kecil yang merupakan superkonduktor, dan sebenarnya kemungkinan itu lebih tinggi daripada kemungkinan seluruhnya merupakan superkonduktor. Dan kemungkinan bahwa ini sekadar keliru juga masih besar
Namun, adanya partikel superkonduktor yang lebih kecil dari 1 mm saja sudah merupakan penemuan besar