Βρέθηκε ο μηχανισμός της υπεραγωγιμότητας υψηλής θερμοκρασίας;

Ο Ρώσος φυσικός Viktor Lakhno, από το Ινστιτούτο Εφαρμοσμένων Μαθηματικών Keldysh της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών (RAS) θεωρεί τα συμμετρικά διπολαρόνια [1] ως τη βάση της υπεραγωγιμότητας υψηλής θερμοκρασίας. Η θεωρία του εξηγεί πρόσφατα πειράματα στα οποία η υπεραγωγιμότητα έφθανε στο υδρίδιο του λανθανίου (LaH10) [η δομή στην εικόνα που συνοδεύει το κείμενο], σε εξαιρετικά υψηλή πίεση, σε θερμοκρασία κοντά σε αυτή του δωματίου. Τα αποτελέσματα της μελέτης δημοσιεύονται στο Physica C: Superconductivity and its Applications.

Υπεραγωγιμότητα σημαίνει ολική απουσία ηλεκτρικής αντίστασης σε υλικό όταν αυτό ψύχεται κάτω από μια κρίσιμη θερμοκρασία. Ο Heike Kamerlingh Onnes ήταν ο πρώτος που παρατήρησε ότι καθώς η θερμοκρασία του υδράργυρου πέφτει κάτω από του -270 βαθμούς Κελσίου, η αντίστασή του μειώνεται κατά έναν παράγοντα 10 000. Η αποκάλυψη του πώς επιτυγχάνεται αυτό στις υψηλότερες θερμοκρασίες θα έχει επαναστατικές τεχνολογικές εφαρμογές.

Η πρώτη θεωρητική εξήγηση της υπεραγωγιμότητας σε μικροσκοπικό επίπεδο δόθηκε το 1957 από τους Bardeed, Cooper και Schrieffer στην BCS θεωρία τους. Ωστόσο, η θεωρία αυτή δεν εξηγεί υπεραγωγιμότητα πάνω από το απόλυτο μηδέν. Στο τέλος του 2018, δυο ερευνητικές ομάδες ανακάλυψαν ότι το υδρίδιο του λανθανίου (LaH10) γίνεται υπεραγώγιμο σε υψηλή θερμοκρασία ρεκόρ. Η πρώτη ομάδα διαβεβαιώνει ότι η θερμοκρασία μετάβασης σε υπεραγώγιμη κατάσταση είναι Tc = 215 K (-56°C). Η δεύτερη ομάδα αναφέρει θερμοκρασία Tc = 260 K (-13°C). Και στις δυο περιπτώσεις τα δείγματα ήταν υπό πίεση περισσότερη από ένα εκατομμύριο ατμόσφαιρες.

Η υψηλή θερμοκρασίας υπεραγωγιμότητα βρέθηκε σε νέα υλικά περίπου τυχαία καθώς δεν υπάρχει θεωρία που θα εξηγούσε το μηχανισμό. Στη νέα του εργασία ο Viktor Lakhno προτείνει να χρησιμοποιηθούν τα διπολαρόνια ως βάση. Ένα πολαρόνιο είναι ένα οιονεί σωμάτιο που απαρτίζεται από ηλεκτρόνια και φωνόνια [2]. Τα πολαρόνια μπορούν να διαμορφώσουν ζεύγη λόγω της αλληλεπίδρασης ηλεκτρονίου-φωνονίου. Η αλληλεπίδραση αυτή είναι τόσο ισχυρή που καταλήγουν να είναι τόσο μικρό όσο ένα ατομικό τροχιακό και σε αυτή την περίπτωση αποκαλούνται διπολαρόνια μικρής ακτίνας. Το πρόβλημα της θεωρίας είναι ότι τα διπολαρόνια μικρής ακτίνας έχουν πολύ μεγάλη μάζα σε σύγκριση με ένα άτομο. Η μάζα τους καθορίζεται από ένα πεδίο που τα συνοδεύει κατά τη διάρκεια της κίνησης. Και η μάζα επηρεάζει τη θερμοκρασία μιας υπεραγώγιμης μετάβασης.

Ο Viktor Lakhno οικοδόμησε μια θεωρία διπολαρόνιου σταθερής μετάθεσης [translation-invariant (TI) bipolaron theory] της υπεραγωγιμότητας υψηλής θερμοκρασίας. Σύμφωνα με τη θεωρία του, η φόρμουλα για τον καθορισμό της θερμοκρασίας εμπεριέχει όχι τη μάζα ενός διπολαρόνιου αλλά μια κανονική ενεργό μάζα μιας ομάδας ηλεκτρονίων, η οποία μπορεί να είναι είτε μεγαλύτερη ή λιγότερη από ότι η μάζα του ελεύθερου ηλεκτρονίου στο κενό και περίπου 1000 φορές λιγότερη από ότι η μάζα ενός ατόμου. Η ομαδική μάζα αλλάζει εάν το κρυσταλλικό πλέγμα στο οποίο είναι ένα ηλεκτρόνιο συμπιέζεται. Αν η απόσταση μεταξύ των ατόμων μικραίνει, η μάζα μικραίνει, επίσης. Ως συνέπεια, η θερμοκρασία μετάβασης μπορεί αρκετές φορές να υπερβαίνει τη σχετική θερμοκρασία στις συνηθισμένες θεωρίες διπολαρονίου.

«Έχω εστιάσει στο γεγονός ότι ένα ηλεκτρόνιο είναι ένα κύμα. Αν είναι έτσι, δεν υπάρχει προτιμητέα θέση σε ένα κρύσταλλο όπου θα εντοπίζεται. Υπάρχει παντού με ίσες πιθανότητες. Με βάση τη νέα θεωρία για τα διπολαρόνια μπορεί κάποιος να αναπτύξει μια νέα θεωρία για την υπεραγωγιμότητα. Συνδυάζει όλα τα καλύτερα χαρακτηριστικά των σύγχρονων αντιλήψεων», αναφέρει ο Viktor Lakhno.

Πηγή: Phys.org

Περισσότερα στη δημοσίευση: Superconducting properties of a nonideal bipolaron gas. Physica C: Superconductivity and its Applications.

Σημειώσεις egno.gr:

[1] Ένα ηλεκτρόνιο σε υλικό μπορεί να προκαλέσει μια διαταραχή στο υποκείμενο πλέγμα. Ο συνδυασμός του ηλεκτρόνιου και της διαταραχής (η οποία μπορεί επίσης να κατανοηθεί ως ένα νέφος από φωνόνια) είναι γνωστός ως πολαρόνιο. Το πολαρόνιο (polaron) θεωρείται πως είναι το κύμα πόλωσης που δημιουργείται από ένα ηλεκτρόνιο το οποίο μετακινείται ανάμεσα στα άτομα ενός στερεού υλικού, επηρεάζοντας τα γειτονικά του ηλεκτρικά φορτία να κινηθούν τα μεν θετικά προς την κατεύθυνσή του τα δε αρνητικά προς την αντίθετη από αυτό κατεύθυνση. Χρησιμοποιείται στη φυσικής πυκνής ύλης για να περιγραφούν οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ ηλεκτρονίων και ατόμων στα στερεά υλικά.

[2] Το φωνόνιο (phonon) στη Φυσική (ιδιαίτερα στην Φυσική Στερεάς Κατάστασης), είναι το κβάντο ενέργειας που μπορεί να μεταφερθεί σε ένα στερεό κρύσταλλο, με μηχανικές ταλαντώσεις των ατόμων του και αντιστοιχεί στη μηχανική ταλάντωση του ελάχιστου ταλαντωτή του κρυσταλλικού πλέγματος. Για μονοατομικό κρύσταλλο ο ελάχιστος ταλαντωτής είναι το ένα άτομο. Το φωνόνιο είναι το αποτέλεσμα της μικρότερης δυνατής ταλάντωσης του κρυσταλλικού πλέγματος που μεταφέρει ενέργεια από άτομο σε άτομο. Ανάλογα με τον τρόπο που μελετάμε τα αποτελέσματα της συμπεριφοράς του κρυστάλλου, το φωνόνιο εμφανίζεται είτε σαν σωματίδιο με ορμή, είτε σαν κύμα.