Áp dụng mô hình trường ligand mở rộng và thuyết DFT (Density Functional Theory) để giải thích tính chất siêu dẫn của các vật liệu hóa học ở nhiệt độ cao trên 77K.

Dưới đây là một cách tiếp cận lý thuyết để giải thích tính chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao (trên 77 K) dựa trên mô hình trường ligand mở rộng và thuyết DFT:

1. Mô hình trường ligand mở rộng (Extended Ligand Field Theory) và vai trò của cấu trúc điện tử

Cấu trúc phối hợp trong các vật liệu siêu dẫn nhiệt cao:
Ở nhiều chất siêu dẫn nhiệt cao (ví dụ như các oxit đồng – cuprate), các ion kim loại chuyển tiếp (như Cu²⁺) nằm trong một môi trường có ligand (thường là các ion oxy). Mô hình trường ligand mở rộng giúp ta hiểu được sự phân tách các mức năng lượng của orbital d của ion kim loại khi bị ảnh hưởng bởi trường điện tĩnh tạo ra từ các ligand xung quanh.

Hiệu ứng phối hợp và liên kết cộng hóa trị:
Sự lai hóa giữa các orbital d của kim loại và orbital p của ligand tạo ra các liên kết cộng hóa trị mạnh, dẫn đến phân bố điện tử không đối xứng và tạo ra các mức năng lượng phụ thuộc vào hình học của mạng tinh thể.

Sự phân tách năng lượng này có thể tạo ra các dải điện tử hẹp với mật độ trạng thái cao gần mức Fermi, điều cần thiết cho sự hình thành cặp Cooper (electron liên kết đôi) theo cơ chế tương tác hiệu ứng điện tử – rung lattice hoặc tương tác electron – electron mạnh.

Tác động của hiệu ứng tương đối và tương tác điện tử:
Ở các vật liệu siêu dẫn nhiệt cao, hiệu ứng tương đối (đặc biệt trong các hệ có ion nặng) và tương tác điện tử mạnh (correlation) làm thay đổi cấu trúc dải điện tử. Mô hình trường ligand mở rộng cho phép “mở rộng” mô tả của trường crystal truyền thống để bao gồm các hiệu ứng lai hóa phức tạp, góp phần vào việc tạo ra một trạng thái dẫn điện bất thường và có khả năng siêu dẫn ở nhiệt độ cao.

2. Thuyết Density Functional Theory (DFT) trong việc mô phỏng điện tử và tiên đoán siêu dẫn

Tính chất điện tử và mật độ trạng thái:
DFT là công cụ mạnh để tính toán cấu trúc điện tử của vật liệu từ nguyên lý cơ bản.

Nó cho phép xác định mật độ trạng thái tại mức Fermi, hình dạng của Fermi surface và các dải điện tử, từ đó cho thấy liệu có sự tụ tập của trạng thái điện tử hay không.

Ở các vật liệu siêu dẫn nhiệt cao, DFT (đôi khi kết hợp với các cải tiến như DFT+U hoặc các phương pháp many-body như DMFT) giúp nhận diện các dải năng lượng hẹp và các mức năng lượng bị phân tách nhờ sự tương tác điện tử mạnh.

Mô hình cặp Cooper và cơ chế siêu dẫn:
Dù DFT truyền thống không trực tiếp tiên đoán được nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn, nhưng bằng cách tính toán các đặc trưng của hệ thống điện tử (chẳng hạn như mật độ trạng thái, đặc trưng của các orbital chủ đạo và tính chất tương tác electron – phonon), ta có thể suy ra khả năng hình thành cặp Cooper.

Trong trường hợp của các cuprate, kết quả tính toán DFT cho thấy sự lai hóa mạnh giữa các orbital Cu 3d và O 2p, tạo ra các dải điện tử phức tạp, từ đó là cơ sở cho một cơ chế siêu dẫn không theo cơ chế truyền thống (electron – phonon) mà có thể liên quan đến tương tác điện tử – electron mạnh.

3. Kết hợp hai mô hình để giải thích siêu dẫn ở nhiệt độ cao

Phân tách và lai hóa orbital:
Mô hình trường ligand mở rộng giải thích được cách mà các liên kết cộng hóa trị giữa ion kim loại và ligand tạo ra dải năng lượng điện tử với mật độ trạng thái cao và các mức năng lượng gần nhau. Điều này tạo điều kiện cho sự hình thành cặp Cooper qua các cơ chế tương tác phi truyền thống.

Tính chất điện tử từ DFT:
DFT cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc dải, mật độ trạng thái và cấu hình Fermi surface của vật liệu. Khi các tính toán DFT chỉ ra rằng có các dải năng lượng hẹp và mật độ trạng thái lớn, điều đó gợi ý rằng ngay cả với nhiệt độ cao hơn 77 K, các điều kiện để hình thành cặp Cooper và duy trì trạng thái siêu dẫn là khả thi.

Ứng dụng trong thiết kế vật liệu:
Sự hiểu biết từ cả hai mô hình giúp các nhà khoa học thiết kế và tổng hợp các vật liệu mới có cấu trúc phối hợp và dải năng lượng phù hợp, từ đó tạo ra các chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao, có thể hoạt động ở điều kiện áp suất và nhiệt độ gần với điều kiện môi trường.

Tóm lại:

Trong môi trường áp suất và nhiệt độ cao, như ở các hệ thống vũ trụ hoặc các ứng dụng công nghệ, hiệu ứng lai hóa giữa các orbital của kim loại chuyển tiếp và ligand cùng với sự phân bố đặc trưng của các dải điện tử (được tính toán bằng DFT) tạo điều kiện thuận lợi cho việc hình thành cặp Cooper theo cơ chế phi truyền thống, góp phần giải thích tính chất siêu dẫn của các vật liệu hóa học ở nhiệt độ cao (trên 77K).