Αποκαλύπτοντας το κρυμμένο σπιν: Ξεκλειδώνοντας νέους δρόμους προς τους υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας

Στη δεκαετία του 1980, η ανακάλυψη των υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας μικτών οξειδίων του χαλκού ανέτρεψε μια επικρατούσα ευρέως θεωρία ότι τα υπεραγώγιμα υλικά άγουν ηλεκτρικό ρεύμα χωρίς αντίσταση μόνο σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, των περίπου 30 βαθμών Κέλβιν (περίπου -243 βαθμοί Κελσίου). Για δεκαετίες από τότε, οι ερευνητές έχουν εκπλαγεί από την ικανότητα ορισμένων μικτών οξειδίων χαλκού να είναι υπεραγωγοί σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες από τους 100 βαθμούς Κέλβιν (περίπου -173 βαθμοί Κελσίου). Πρόσφατα, ερευνητές στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley, του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (Berkeley Lab) έχουν αποκαλύψει ένα στοιχείο στις ξεχωριστές ιδιότητες των μικτών οξειδίων χαλκού – με την απάντηση να βρίσκεται σε μια απρόσμενη πηγή: στο σπιν του ηλεκτρονίου. Η εργασία τους που περιγράφει την έρευνα πίσω από την ανακάλυψη αυτή δημοσιεύθηκε τον τελευταίο μήνα της χρονιάς που πέρασε στο περιοδικό
Science.

Προσθέτοντας το σπιν του ηλεκτρονίου στην εξίσωση

Κάθε ηλεκτρόνιο είναι όπως ένας πολύ μικρός μαγνήτης που δείχνει σε μια ορισμένη κατεύθυνση και τα ηλεκτρόνια μέσα στα περισσότερα υπεραγώγιμα υλικά μοιάζουν να ακολουθούν το καθένα τη δική του εσωτερική πυξίδα. Αντί να δείχνουν στην ίδια κατεύθυνση, τα σπιν τους δείχνουν τυχαία προς κάθε κατεύθυνση – ορισμένα επάνω, ορισμένα κάτω, άλλα αριστερά ή δεξιά.

Όταν οι επιστήμονες αναπτύσσουν νέα είδη υλικών, συνήθως κοιτούν το ηλεκτρονιακό σπιν των υλικών ή την κατεύθυνση προς την οποία δείχνουν τα ηλεκτρόνια. Όμως όταν επιχειρούν να κάνουν υπεραγωγούς, οι φυσικοί συμπυκνωμένης ύλης δεν εστιάζουν παραδοσιακά στο σπιν, επειδή η παραδοσιακά κρατούσα άποψη ήταν ότι όλες οι ιδιότητες που καθιστούν τα υλικά αυτά μοναδικά διαμορφώνονται από τον τρόπο με τον οποίο δυο ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούν το ένα με το άλλο μέσω αυτού που είναι γνωστό ως «συσχέτιση ηλεκτρονίων».

Όμως όταν μια ερευνητική ομάδα υπό την Alessandra Lanzara, επιστήμονα του Berkeley Lab και καθηγήτριας φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Berkeley, χρησιμοποίησε ένα μοναδικό ανιχνευτή για να μετρήσει δείγματα ενός εξωτικού υπεραγωγού μικτού οξειδίου του χαλκού, του Bi-2212 (οξείδιο του χαλκού με βισμούθιο, στρόντιο, ασβέστιο), με μια ισχυρή τεχνική που αποκαλείται SARPES (spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy), αποκάλυψαν κάτι που αντιτάσσονταν σε ότι είχαν ποτέ γνωρίσει σχετικά με τους υπεραγωγούς: ένα διακριτό μοτίβο του ηλεκτρονιακού σπιν μέσα στο υλικό.

«Με άλλα λόγια, ανακαλύψαμε ότι υπήρχε μια καλά προσδιορισμένη κατεύθυνση στην οποία έδειχνε κάθε ηλεκτρόνιο δεδομένης της ορμής του, μια ιδιότητα επίσης γνωστή ως δέσιμο σπιν-ορμής», σημείωσε η Lanzara. «Ήταν μεγάλη έκπληξη να το βρούμε αυτό σε υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας».

Με την ανάλυση του σπιν που επιτρέπεται από τον SARPES, οι ερευνητές του Berkeley Lab αποκάλυψαν τις μαγνητικές ιδιότητες του Bi-2212 που ήταν απαρατήρητες σε προηγούμενες μελέτες

Νέος χάρτης για υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας

Στον κόσμο των υπεραγωγών, «υψηλή θερμοκρασία» σημαίνει ότι το υλικό μπορεί να άγει ηλεκτρικό ρεύμα χωρίς αντίσταση σε θερμοκρασίες υψηλότερες από ότι αναμένονταν, όμως ακόμη εξαιρετικά χαμηλές πολύ κάτω από τους -20 βαθμούς Κελσίου. Αυτό συμβαίνει επειδή οι υπεραγωγοί χρειάζεται να είναι εξαιρετικά ψυχροί για να άγουν τον ηλεκτρισμό χωρίς οποιαδήποτε αντίσταση. Στις χαμηλές αυτές θερμοκρασίες τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινηθούν σε συγχρονισμό το ένα με το άλλο και να μην εμποδίζονται από άτομα που ταλαντώνονται, γεγονός που προκαλεί την ηλεκτρική αντίσταση.

Μέσα σε αυτή την ειδική κατηγορία των υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας, τα μικτά οξείδια χαλκού είναι μερικά από τα καλύτερα υπεραγώγιμα υλικά, οδηγώντας ορισμένους ερευνητές να πιστεύουν ότι έχουν τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν ως νέο υλικό για την κατασκευή υπερ-αποδοτικών ηλεκτρικών καλωδίων που μπορούν να μεταφέρουν ισχύ χωρίς οποιαδήποτε απώλεια ορμής ηλεκτρονίων, αναφέρεται από συνεργάτες της Lanzara. Η κατανόηση του τι κάνει ορισμένα εξωτικά μικτά οξείδια χαλκού, όπως το Bi-2212, να λειτουργούν ως υπεραγωγοί σε θερμοκρασίες υψηλές όσο οι 133 βαθμοί Κέλβιν (-140 βαθμοί Κελσίου) θα μπορούσε να καταστήσει ευκολότερο να υλοποιηθεί μια πρακτική συσκευή.

Μεταξύ των πολύ εξωτικών υλικών που μελετούν οι φυσικοί συμπυκνωμένης ύλης, υπάρχουν δυο είδη αλληλεπιδράσεων ηλεκτρονίων που προκαλούν νέες ιδιότητες για νέα υλικά, συμπεριλαμβανομένων των υπεραγωγών. Οι επιστήμονες που μελετούν τους υπεραγωγούς μικτών οξειδίων χαλκού έχουν εστιάσει σε μόλις μια από αυτές τις αλληλεπιδράσεις: στη συσχέτιση ηλεκτρονίων. Το άλλο είδος της αλληλεπίδρασης ηλεκτρονίων που βρίσκεται σε εξωτικά υλικά είναι η «σύζευξη σπιν-τροχιάς» – ο τρόπος με τον οποίο η μαγνητική ροπή του ηλεκτρονίου αλληλεπιδρά με τα άτομα στο υλικό.

Σύμφωνα με την άποψη μελών της επιστημονικής ομάδας, η σύζευξη σπιν-τροχιάς συχνά αγνοείτο στις μελέτες των υπεραγωγών μικτών οξειδίων χαλκού, επειδή πολλοί θεωρούν ότι αυτό το είδος αλληλεπίδρασης ηλεκτρονίων θα πρέπει να είναι ασθενές σε σύγκριση με τη συσχέτιση ηλεκτρονίων. Έτσι όταν οι ερευνητές βρίσκουν το ασυνήθιστο μοτίβο σπιν, παρόλο που είναι ευχάριστα ξαφνιασμένοι από το αρχικό εύρημα, δεν είναι ακόμη σίγουροι εάν ήταν μια «αληθής» εγγενής ιδιότητα του υλικού Bi-2212 ή ένα εξωτερικό φαινόμενο που προκαλείται από τον τρόπο που το φως του λέιζερ αλληλεπιδρά με το υλικό στο πείραμα.

Φωτίζοντας το σπιν του ηλεκτρονίου με τον SARPES

Κατά τη διάρκεια περίπου τριών ετών, μέλη της επιστημονικής ομάδας εργασίας [Kenneth Gotlieb και Chiu-Yun Lin] χρησιμοποίησαν τον ανιχνευτή SARPES για να χαρτογραφήσουν διεξοδικά το μοτίβο των σπιν στο εργαστήριο της Lanzara. Όταν χρειάζονταν υψηλότερες ενέργειες φωτονίων για να διεγείρουν μια ευρύτερη περιοχή ηλεκτρονίων μέσα σε ένα δείγμα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το σύχνοτρο του Berkeley Lab [την Advanced Light Source (ALS)] που ειδικεύεται σε χαμηλότερες ενέργειες, σε φως «μαλακών» ακτίνων-Χ για τη μελέτη των ιδιοτήτων των υλικών. Ο ανιχνευτής SARPES αναπτύχθηκε από την Lanzara, μαζί με μέλη της επιστημονικής ομάδας [Zahid Hussain και Chris Jozwiak] και επέτρεπε τους επιστήμονες να διερευνήσουν βασικές ιδιότητες των ηλεκτρονίων όπως η δομή της ζώνης σθένους.

Μετά από δεκάδες πειραμάτων στην ALS, οι ερευνητές βρήκαν ότι το διακριτό μοτίβο σπιν του Bi-2212 – που ονομάζεται «μη-μηδενικό σπιν» – ήταν ένα πραγματικό αποτέλεσμα, εμπνέοντάς τους να θέσουν ακόμη περισσότερα ερωτήματα. Όπως το θέτει η Lin: «Παραμένουν πολλά αναπάντητα ερωτήματα στο πεδίου της υπεραγωγιμότητας υψηλής θερμοκρασίας. Η εργασία μας παρέχει νέα γνώση για την καλύτερη κατανόηση των υπεραγωγών που είναι μικτά οξείδια χαλκού, που μπορούν να είναι ένα δομικό στοιχείο για να επιλυθούν τα ερωτήματα αυτά».

Πηγή: Lawrence Berkeley National Laboratory

Περισσότερα στη δημοσίευση: Revealing hidden spin-momentum locking in a high-temperature cuprate superconductor. Science.