Theoretical Prediction of Superconducting 2D Hydrogenated Janus V2CSH and Nb2CSH MXenes

Zweidimensionale Materialien sind Schichten von Materie, die so dünn sind, dass sie nur eine einzige Lage von Atomen dick sind, doch sie besitzen Eigenschaften, die massivere Versionen derselben Substanz schlichtweg nicht haben. Unter diesen hat eine Familie, die als MXene bekannt ist, aufgrund ihrer Fähigkeit, Elektrizität zu leiten und ihres Potenzials zur Energiespeicherung, erhebliche Aufmerksamkeit erregt. Diese Materialien werden typischerweise durch das Abziehen von Schichten von einem größeren Kristall erzeugt, wobei eine Oberfläche zurückbleibt, die oft mit verschiedenen Atomen wie Sauerstoff oder Fluor bedeckt ist. Diese Oberflächenatome wirken wie eine Haut und verändern die Art und Weise, wie das Material reagiert, grundlegend. Kürzlich wurden Wissenschaftler an einer spezifischen Variation namens Janus-Struktur interessiert, die nach dem zweigesichtigen römischen Gott benannt ist. In diesen Schichten sind die beiden Seiten unterschiedlich zueinander, wobei eine Seite von einer Art Atom bedeckt ist und die gegenüberliegende Seite von einer anderen. Diese Asymmetrie schafft eine einzigartige interne Umgebung, die so abgestimmt werden kann, dass sie neue elektronische Effekte erzeugt, einschließlich des theoretischen Potenzials, Elektrizität ohne jeglichen Widerstand zu leiten, ein Phänomen, das als Supraleitung bekannt ist.

In einer neuen Studie untersuchten Forscher, wie dieser Janus-Entwurf mit zwei spezifischen Metallen, Vanadium und Niob, funktionieren könnte, wenn ihre Oberflächen mit einer Mischung aus Wasserstoff und Schwefel bedeckt sind. Unter Verwendung leistungsstarker Computersimulationen modellierte das Team einzelne Lagen dieser Materialien, um zu sehen, ob sie zusammenhalten würden und wie sie Elektrizität leiten würden. Sie fanden heraus, dass sowohl die auf Vanadium basierenden alscht als auch die auf Niob basierenden Schichten stabil waren und unter normalen Bedingungen nicht auseinanderfallen würden. Wichtiger noch war, dass die Studie vorhersagte, dass beide Materialien Supraleiter sein könnten, was bedeutet, dass sie einen elektrischen Strom mit null Energieverlust führen könnten, aber nur bei extrem niedrigen Temperaturen. Die Studie zeigte auf, dass beide Materialien dieses Potenzial besitzen, aber das Material, das Niob enthält, der effektivere Supraleiter ist, der in der Lage ist, diesen Zustand bei einer höheren Temperatur als sein Vanadium-Gegenstück aufrechtzuerhalten.

Die Forscher begannen damit, die atomaren Modelle dieser beiden Schichten zu konstruieren. Jede Schicht besteht aus einer zentralen Lage von Kohlenstoffatomen, die zwischen zwei Lagen von Metallatomen eingebettet ist. Auf einer Seite der Schicht sind die Metallatome an Schwefel gebunden, während sie auf der anderen Seite an Wasserstoff gebunden sind. Diese Anordnung erzeugt ein permanentes elektrisches Ungleichgewicht über die Schicht hinweg, ähnlich wie eine Batterie mit einer positiven und einer negativen Seite, was ein direktes Resultat der zwei verschiedenen Seiten ist. Die Simulationen zeigten, dass die Atome in diesen Schichten fest zusammengehalten werden und dass die Materialien selbst dann stabil bleiben, wenn sie in einer simulierten Umgebung auf Raumtemperatur erhitzt werden. Das Team überprüfte auch die Magnetismus, eine Eigenschaft, die der Supraleitung oft entgegenwirkt, und fand heraus, dass keines der Materialien ein magnetisches Verhalten aufwies, was eine günstige Bedingung für das Entstehen des supraleitenden Zustands ist.

Als die Wissenschaftler untersuchten, wie Elektrizität durch diese Schichten fließt, fanden sie heraus, dass beide Materialien als Metalle agieren, wobei Elektronen frei durch sie fließen. Der Fluss der Elektrizität wird primtär durch die Elektronen angetrieben, die die Metallatome umkreisen. Die beiden Materialien sind jedoch nicht identisch. Die Niob-Schicht hat einen etwas größeren Abstand zwischen ihren Atomen im Vergleich zur Vanadium-Schicht, ein Unterschied, der verändert, wie die Elektronen und die vibrierenden Atome miteinander interagieren. Diese Interaktion ist der Schlüssel zur Supraleitung in diesen Materialien. Damit ein Material ein Supraleiter wird, müssen sich Elektronen paaren und durch das Gitter der Atome bewegen, ohne gegen sie zu stoßen. Dieses Paaren wird durch die Vibrationen der Atome selbst erleichtert. Die Forscher berechneten, wie stark die Elektronen mit diesen Vibrationen koppeln, und fanden heraus, dass die Niob-Schicht eine stärkere Verbindung als die Vanadium-Schicht aufweist.

Diese stärkere Verbindung führt zu einer höheren Temperatur, bei der das Material vorhergesagt wird, supraleitend zu werden. Die Studie sagt voraus, dass die Vanadium-basierte Schicht bei einer Temperatur von 2,36 Kelvin supraleitend wird, was nur knapp über dem absoluten Nullpunkt liegt. Die Niob-basierte Schicht hingegen wird laut Vorhersage bei 5,27 Kelvin supraleitend. Während diese Temperaturen immer noch unglaublich kalt sind, ist die Tatsache, dass die Niob-Version bei einer höheren Temperatur funktioniert, signifikant. Die Forscher entdeckten, dass der Haupttreiber für diesen Effekt aus den niederenergetischen Vibrationen der Metall- und Schwefelatome resultiert. Diese schweren Atome vibrieren langsam, und es sind eben diese spezifischen Bewegungen, die etwa 77 Prozent der Fähigkeit des Materials zur Supraleitung ausmachen. Die leichteren Wasserstoff- und Kohlenstoffatome spielen bei diesem Prozess eine viel kleinere Rolle.

Die Ergebnisse legen nahe, dass Wissenschaftler durch das Austauschen eines Metalls gegen ein anderes innerhalb derselben Janus-Struktur die supraleitenden Eigenschaften dieser Materialien feinabstimmen können. Die Studie widerlegt die Vorstellung, dass die beiden Materialien identisch reagieren würden, nur weil sie dieselbe Form und dieselben Oberflächenatome teilen; stattdessen bestimmt die spezifische Wahl des Metalls die Stärke des Supraleitungseffekts. Die Forscher stellten auch fest, dass die Materialien mechanisch robust sind, was bedeutet, dass sie steif und widerstandsfähig gegen Dehnung sind, was für jede zukünftige praktische Anwendung wichtig ist. Obwohl diese Ergebnisse derzeit auf Computersimulationen basieren und noch nicht im Labor erzeugt wurden, liefern die Berechnungen eine klare Roadmap für das, was zu erwarten ist, wenn diese Materialien synthetisiert werden. Die Arbeit hebt hervor, dass die Niob-basierte Janus-MXene ein besonders vielversprechender Kandidat für zukünftige Tieftemperaturanwendungen ist und einen neuen Weg für das Design von zweidimensionalen Quantenmaterialien mit maßgeschneiderten elektrischen Eigenschaften bietet.