Υπεραγωγιμότητα: Επιστήμονες ρίχνουν νέο φως σε έναν «άλλο υπεραγωγό υψηλής θερμοκρασίας»

Μελέτη υπό την ηγεσία επιστημόνων του Ινστιτούτου Max Planck για τη Δομή και τη Δυναμική της Ύλης (MPSD) στο Κέντρο για την Επιστήμη Λέιζερ Ελεύθερου-Ηλεκτρονίου στο Αμβούργο, παρουσιάζει στοιχεία συνύπαρξης της υπεραγωγιμότητας και των «κυμάτων πυκνότητας φορτίου» σε ενώσεις της ελάχιστα διερευνημένης οικογένειας των βισμουθικών αλάτων. Η παρατήρηση αυτή ανοίγει νέες προοπτικές για μια βαθύτερη κατανόηση του φαινομένου της υπεραγωγιμότητας υψηλής θερμοκρασίας, ένας τομέας που είναι στην καρδιά της έρευνας της συμπυκνωμένης ύλης εδώ και περισσότερο από 30 χρόνια. Η μελέτη δημοσιεύεται στο PNAS.

Από την αρχή του 20ου αιώνα, η υπεραγωγιμότητα παρατηρήθηκε σε ορισμένα μέταλλα σε θερμοκρασίες λίγους μόνο βαθμούς επάνω από το απόλυτο μηδέν (μείον 273 βαθμοί Κελσίου). Μόνο στη δεκαετία του 1980, οι φυσικοί κατάφεραν να συνθέσουν νέες κατηγορίες ενώσεων, με βάση κεραμικά υλικά, οι οποίες ήταν ικανές να άγουν ηλεκτρισμό χωρίς απώλειες σε θερμοκρασίες τόσο υψηλές όσο οι 138 βαθμοί Κέλβιν (μείον 135 βαθμοί Κελσίου). Αυτές ονομάστηκαν «υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας». Η καλύτερα γνωστή και καλά μελετημένη οικογένεια υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας είναι αυτή των μικτών οξειδίων του χαλκού, τα οποία εμφανίζουν μακράν τις υψηλότερες κρίσιμες θερμοκρασίες (η θερμοκρασία κάτω από την οποία συμβαίνει η υπεραγωγιμότητα) και έτσι είναι τα πλέον υποσχόμενα για εφαρμογές. Ωστόσο, υπάρχει και μια μεγάλη ποικιλία άλλων ενώσεων, που επίσης εκδηλώνουν υπεραγωγιμότητα σε αρκετά υψηλές θερμοκρασίες, μεταξύ αυτών τις πρόσφατα ανακαλυφθείσες ενώσεις με βάση το σίδηρο (iron pnictides) που περιλαμβάνουν οξυγόνο, ένα πνυκτογόνο [της ομάδας 15 του Περιοδικού Πίνακα] και ένα ή περισσότερα άλλα στοιχεία.

Ακόμη δεν υπάρχει μια γενική εικόνα ικανή να περιγράφει τη φυσική πίσω από το φαινόμενο της υπεραγωγιμότητας υψηλής θερμοκρασίας. Ωστόσο, μια σημαντική ομοιότητα μεταξύ σχεδόν όλων των υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας είναι η ανάδυση της υπεραγωγιμότητας κοντά σε άλλες εξωτικές φάσεις της ύλης, όπως τα «κύματα πυκνότητας φορτίου». Όλα αυτά τα υλικά μπορεί τυπικά να ρυθμίζονται από τη μια φάση σε μια άλλη, πιθανά επιτυγχάνοντας υπεραγωγιμότητα, με χημική πρόσμιξη, εξωτερική πίεση ή μαγνητικά πεδία. Ωστόσο, η ανεπαίσθητη αλληλοσυσχέτιση αυτών των φάσεων παραμένει ελάχιστα κατανοητή και σε ορισμένες περιπτώσεις, υπάρχουν στοιχεία ότι τα κύματα πυκνότητας φορτίου και η υπεραγωγιμότητα μπορούν ακόμη και να συνυπάρχουν μικροσκοπικά στην ίδια ένωση.

Έντονοι παλμοί λέιζερ χρησιμοποιήθηκαν για να φωτοδιεγερθούν ενώσεις με βάση το βισμούθιο, στις οποίες «κύματα πυκνότητας φορτίου» (αριστερή πλευρά) συνυπάρχουν με υπεραγωγιμότητα (δεξιά πλευρά). (πηγή: MPSD)

Σε τέτοιες περιστάσεις, πειράματα που εκτελούνται με υλικά διεγερμένα με πάρα πολύ σύντομους, έντονους παλμούς λέιζερ (σύντομους όσο λίγες εκατοντάδες femtoseconds – 1 femtosecond ισοδυναμεί με 10^-15 second ή ένα εκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου) έχουν δείξει στο παρελθόν ότι παρέχουν νέες γνώσεις στη φυσική αυτών των συστημάτων. Για παράδειγμα, η ομάδα του Andrea Cavalleri στο MPSD στο Αμβούργο έχει ήδη δείξει με επιτυχία ότι, σε μερικές ενώσεις με βάση το χαλκό, τέτοιοι παλμοί μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να απομακρύνουν κύματα πυκνότητας φορτίου και να προωθούν την υπεραγωγιμότητα σε υψηλότερες θερμοκρασίες, πιθανώς ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου.

Στην παρούσα εργασία, οι Daniele Nicoletti, Andrea Cavalleri και οι συνεργάτες τους εστίασαν σε διαφορετικές ενώσεις, που ανήκουν στην οικογένεια των ενώσεων με βάση το βισμούθιο που έχει μελετηθεί πολύ λίγο. Οι υπεραγωγοί αυτοί ανακαλύφθηκαν στη δεκαετία του 1970, πριν ακόμη από τις ενώσεις με βάση το χαλκό, αλλά τράβηξαν λιγότερο την προσοχή λόγω των μακράν χαμηλότερων κρίσιμων θερμοκρασιών τους (περίπου 30 Κ). Μοιράζονται αρκετές ομοιότητες, αλλά επίσης ορισμένες διαφορές με τους καλύτερα γνωστούς συγγενείς τους. Ειδικότερα, η επονομαζόμενη «γονεϊκή ένωση», BaBiO3 (η δομή της στην εικόνα), έχει μια εύρωστη φάση κύματος πυκνότητας φορτίου, από την οποία η υπεραγωγιμότητα αναδύεται με χημική αντικατάσταση.

Οι υψηλής ποιότητας κρύσταλλοι BaPb(1-x)BixO3, με διάφορες συγκεντρώσεις Pb «x», συντέθηκαν και χαρακτηρίστηκαν από τους Ian R. Fisher και P. Giraldo-Gallo στο Πανεπιστήμιο του Stanford, στην Καλιφόρνια. Η ομάδα του Αμβούργου εκτέλεσε μια σειρά από πειράματα σε αυτούς τους κρυστάλλους, στους οποίους φωτοδιέγειραν τα υλικά με πολύ σύντομους και έντονους παλμούς λέιζερ και μέτρησαν πώς η αγωγιμότητά τους τροποποιούνταν παροδικά και ηρεμούσε πίσω στην αρχική της τιμή μέσα σε λίγα picoseconds (1 picosecond ισοδυναμεί με 10^-12 second ή ένα χιλιοστό του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου). Αναλύοντας την εξάρτηση τέτοιων σημάτων με τη συχνότητα, τη θερμοκρασία και τη συγκέντρωση Pb, η ομάδα, θα μπορούσε μοναδικά να την αντιστοιχίσει σε μια τροποποιημένη φάση του κύματος πυκνότητας φορτίου που επάγονταν από το πεδίο του λέιζερ.

«Ευδιάκριτα», ανέφερε ο Nicoletti, «μπορέσαμε να μετρήσουμε αυτή την απόκριση όχι μόνο στην γονεϊκή ένωση BaBiO3, για την οποία ένα κύμα πυκνότητα φορτίου είναι γνωστό ότι υπάρχει, αλλά επίσης σε υπεραγώγιμες ενώσεις με προσμίξεις Pb. Η παρατήρηση αυτή είναι μια έμμεση επίδειξη της συνύπαρξης του κύματος πυκνότητας φορτίου και της υπεραγωγιμότητας στο ίδιο ακριβώς υλικό, κάτι που συζητιόταν προηγουμένως, αλλά ποτέ δεν είχε οριστικά επιβεβαιωθεί σε αυτή την κατηγορία υλικών». Οι επιστήμονες μπόρεσαν επίσης να προσδιορίσουν ακριβώς τις ενεργειακές κλίμακες που σχετίζονταν με την τροποποίηση του κύματος πυκνότητας φορτίου , παρέχοντας έτσι νέες πληροφορίες για τη δυναμική τους αλληλεπίδραση με την υπεραγωγιμότητα στις ενώσεις με βάση το βισμούθιο.

Τα αποτελέσματα αυτά είναι ιδιαίτερα καίρια δεδομένου ότι κύματα πυκνότητας φορτίου έχουν πρόσφατα βρεθεί σε διάφορους υπεραγωγούς με βάση το χαλκό, δείχνοντας προς την κατεύθυνση μιας εκπληκτικής ομοιότητας μεταξύ ορισμένων όψεων αυτών των υλικών. Το παρόν πείραμα είναι ένα πρόσθετο παράδειγμα για το πώς το φως μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ερευνήσει, ελέγξει και διαχειριστεί σύνθετα υλικά. Ένας από τους απώτερους στόχους αυτής της γραμμής έρευνας είναι η παροχή καθοδήγησης στην μηχανική των υλικών για την ανάπτυξη νέων λειτουργιών σε ολοένα και υψηλότερες θερμοκρασίες.

Πηγή: Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter

Περισσότερα στη δημοσίευση: Anomalous relaxation kinetics and charge-density-wave correlations in underdoped BaPb(1−x)BixO3. PNAS.