Νέες ιδιότητες της υπεραγωγιμότητας ανακάλυψε διεθνής ομάδα φυσικών

Μια διεθνής ομάδα φυσικών πραγματοποίησε ένα ακόμη βήμα για να κατανοηθεί καλύτερα το μυστήριο του πώς συμβαίνει η υπεραγωγιμότητα σε ορισμένα υλικά. Επικεφαλής της διεθνούς ομάδας βρίσκονται φυσικοί από Πανεπιστήμιο του Waterloo και τα νέα ευρήματα που παρήχθησαν δημοσιεύθηκαν στο διακεκριμένο περιοδικό Science. Η υπεραγωγιμότητα είναι μια «εξωτική» κατάσταση που επιτρέπει την ύπαρξη ηλεκτρικού ρεύματος σε έναν αγωγό με πρακτικά μηδενική αντίσταση.

Αυτό που καθιστά σημαντικό τον τομέα της υπεραγωγιμότητας είναι οι συναρπαστικές δυνατότητες που θα μπορούσαν να υπάρξουν εάν θα μπορούσε να επιτευχθεί αυτή η κατάσταση κοντά σε θερμοκρασίες δωματίου, για αυτό φυσικοί σε όλο τον πλανήτη αναζητούν να κατανοήσουν τα μυστικά της. Στη συμβατική υπεραγωγιμότητα υλικά που βρίσκονται στην περιοχή κοντά στο απόλυτο μηδέν (-273,5 βαθμοί Κελσίου) παρουσιάζουν την εκπληκτική ιδιότητα του ζευγαρώματος των ηλεκτρονίων (ζεύγη Κούπερ) που καθιστά δυνατή την κίνησή τους πρακτικά χωρίς καμιά αντίσταση. Αν η υπεραγωγιμότητα λειτουργούσε σε υψηλότερες θερμοκρασίες, θα μπορούσαν να υπάρξουν εφαρμογές για δημιουργικές τεχνολογίες όπως υπερ-αποτελεσματικά δίκτυα ισχύος, υπερ-υπολογιστές και μαγνητικώς ανυψωμένα οχήματα.

Τα νέα ευρήματα, από την διεθνή ερευνητική ομάδα, παρουσιάζουν άμεσα πειραματικά στοιχεία αυτού που είναι γνωστό ως νηματοποίηση (nematicity)-όταν τα νέφη ηλεκτρονίων διαμορφώνονται σε μια ευθυγραμμισμένη και κατευθυντική σειρά-σε ένα ιδιαίτερο τύπο υπεραγωγού υψηλής θερμοκρασίας. Τα αποτελέσματα μπορεί τελικά να οδηγήσουν σε μια θεωρία που να εξηγεί γιατί η υπεραγωγιμότητα συμβαίνει σε ορισμένα υλικά σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Πιθανολογείται, από τους επιστήμονες, ότι το αναπάντεχο εύρημα της ευθυγράμμισης των ηλεκτρονίων είναι κάτι κοινό στους υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας.

Η πρόκληση για τους φυσικούς είναι να προβλέψουν πώς ξεκινά-πόσο μάλλον να εξηγηθεί-η υπεραγωγιμότητα σε δομές οξειδίων του χαλκού που παρουσιάζουν υπεραγωγιμότητα σε υψηλές θερμοκρασίες. Κατά τα τελευταία χρόνια έχει γίνει εμφανές ότι τα ηλεκτρόνια που εμπλέκονται στην υπεραγωγιμότητα είναι δυνατόν να διαμορφώνουν μοτίβα, λωρίδες ή μορφές σκακιέρας και εμφανίζουν διάφορες συμμετρίες ευθυγραμμιζόμενα κατά μήκος μιας διεύθυνσης. Αυτές ακριβώς οι συμμετρίες και τα πρότυπα έχουν σημαντικές συνέπειες για την υπεραγωγιμότητα. Για να τις μελετήσουν, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μια νέα τεχνική σκέδασης μαλακών ακτίνων-Χ για να ερευνήσουν την σκέδαση ηλεκτρονίων σε ειδικά επίπεδα της κρυσταλλικής δομής των οξειδίων του χαλκού.

Οι φυσικοί επίσης θέλουν να κατανοήσουν τη σχέση της νηματοποίησης με ένα φαινόμενο γνωστό ως διαταραχές κύματος πυκνότητας φορτίου. Κανονικά τα ηλεκτρόνια βρίσκονται σε μια ομοιόμορφη κατανομή, αλλά εξαιτίας του φορτίου τα ηλεκτρόνια διπλώνονται όπως οι κυματισμοί σε μια λιμνούλα. Αυτό δημιουργεί μια κατάσταση ανταγωνισμού κατά την οποία τα υλικό βρίσκεται σε μια «αντιπαράθεση» των καταστάσεων υπεραγωγιμότητας και μη-υπεραγωγιμότητας, μέχρις ότου η θερμοκρασία να είναι η κατάλληλη για να νικήσει η υπεραγωγιμότητα.

Μελλοντικές εργασίες θα αντιμετωπίσουν το πώς τα ηλεκτρόνια μπορούν να είναι συντονισμένα για την υπεραγωγιμότητα, ωστόσο δεν υπάρχει ακόμη συμφωνία σχετικά με την εξήγηση του λόγου για τον οποίο συμβαίνει η νηματοποίηση και έτσι η μελλοντική έρευνα μπορεί να αντιμετωπίσει πως αυτή μπορεί να συντονιστεί τροποποιώντας την κρυσταλλική δομή.

Πηγή: University of Waterloo

Περισσότερα στην εργασία: Nematicity in stripe-ordered cuprates probed via resonant x-ray scattering, Science 05 Feb 2016: Vol. 351, Issue 6273, pp. 576-578