Naukowcy rozwiązali jedną z największych zagadek nadprzewodników
Nadprzewodnictwo to jedno z największych wyzwań fizyki. Nieustannie staramy się znaleźć materiały, które mogą przewodzić prąd bez oporu, jednak zwykle są one do tego zdolne tylko w bardzo niskich temperaturach. Co gdyby taki stan udało się osiągnąć w temperaturze pokojowej? No cóż, mogłaby to być jedna z największych rewolucji technologicznych w historii.
Na Uniwersytecie Technicznym w Wiedniu badacze postawili kolejny krok na drodze do zrozumienia nadprzewodników wysokotemperaturowych. Badacze zajęli się grupą materiałów zwaną miedzianami, które przejawiają nietypowe zachowanie - pod pewnymi warunkami elektrony w tych materiałach mogą poruszać się tylko w określonych kierunkach. Kierunki te można przedstawić w postaci krzywych, znanych jako łuki Fermiego. To właśnie one są kluczem do odkrycia zagadek nadprzewodnictwa.
Aby zwizualizować krzywe, badacze wykorzystali światło laserowe, które celowo wybija elektrony z materiału. Zespół naukowców opracował teoretyczne i numeryczne modele, które wyjaśniają ten efekt. Okazuje się, że jest on wynikiem oddziaływań magnetycznych między elektronami różnych atomów.
Czym jest nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe?
Teoria nadprzewodnictwa nie jest nowa — już w 1972 roku przyznano Nagrodę Nobla za tzw. teorię BCS, która matematycznie opisuje nadprzewodnictwo w metalach. Jednak teoria ta nie jest wystarczająca do wyjaśnienia działania materiałów, które pozwalają na nadprzewodnictwo w stosunkowo wysokich temperaturach (choć wciąż niskich w porównaniu do temperatury pokojowej). Takimi materiałami są miedziany, które są obecnie jednymi z najczęściej badanych nadprzewodników.
"W tych materiałach napotykamy na całą serię niewyjaśnionych zjawisk, które są często ze sobą powiązane" - mówi Alessandro Toschi, jeden z koordynatorów projektu badawczego. Jednym z takich zjawisk są właśnie łuki Fermiego. Dodając do nadprzewodnika dodatkowe elektrony, naukowcy mogli zmierzyć, jak poruszają się one w materiale — lub, z perspektywy fizyki kwantowej, jakie stany kwantowe mogą przyjmować.
Niespodziewane ograniczenia ruchu elektronów
Podczas pomiarów naukowcy natrafili na "niespodziankę". Elektrony mogą poruszać się tylko w pewnych kierunkach, a dozwolone stany kwantowe leżą na krzywej (łuku Fermiego), która nagle kończy się w pewnych punktach — jest to nietypowe zachowanie, którego nie da się wyjaśnić za pomocą konwencjonalnych modeli teoretycznych.
Badaczom z Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu — Paulowi Wormowi, Matthiasowi Reitnerowi, Karstenowi Heldowi i Alessandro Toschiemu — udało się jednak teoretycznie wyjaśnić to zaskakujące zachowanie. Opracowali oni symulacje komputerowe oraz model analityczny, który opisuje to zjawisko za pomocą prostej formuły.
Magnetyczna szachownica
Klucz do zrozumienia zachowania elektronów leży w oddziaływaniu antyferromagnetycznym. Antyferromagnetyzm oznacza, że kierunek magnetyczny atomu jest ustawiony w przeciwnym kierunku do atomu sąsiedniego.
"W modelowanych przez nas miedzianach oddziaływanie antyferromagnetyczne ma bardzo daleki zasięg" — mówi Reitner. Momenty magnetyczne elektronów na różnych atomach ustawiają się więc na długich dystansach w sposób przypominający szachownicę. Zespół badawczy wykazał, że to właśnie ten magnetyczny wzorzec prowadzi do dziwnego, zależnego od kierunku zachowania elektronów.
Jak podsumował badanie Paul Worm - “po raz pierwszy udało się przedstawić teoretyczny model nagłego zakończenia łuków Fermiego i wyjaśnić nietypowy ruch elektronów. Postęp w tej dziedzinie pomaga lepiej zrozumieć niektóre nierozwiązane tajemnice nadprzewodników wysokotemperaturowych. Może również przyczynić się do przyszłych badań nad materiałami o podobnych właściwościach".
***
Bądź na bieżąco i zostań jednym z 90 tys. obserwujących nasz fanpage - polub Geekweek na Facebooku i komentuj tam nasze artykuły!
