Υπεραγωγιμότητα: Η θεωρία για την ερμηνεία της γίνεται στόχος «επίθεσης»;

Μετρήσεις σε υπεραγώγιμο υλικό δείχνουν μια απότομη μετάβαση μεταξύ ενός κανονικού μετάλλου και ενός «παράξενου» μετάλλου. Το αληθινό παράξενο, ωστόσο, είναι ότι αυτό το απότομο που παρατηρείται εξαφανίζεται όταν η θερμοκρασία πέφτει. «Δεν έχουμε κανένα θεωρητικό μηχανισμό για αυτό», αναφέρει ο θεωρητικός φυσικός Jan Zaanen, ένας από τους συγγραφείς του άρθρου στο Science, «αυτό είναι κάτι που μόνο ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί να υπολογίσει».

Οι υπεραγωγοί εξέπλητταν για πάνω από έναν αιώνα. Το 1911, ο Heike Kamerlingh Onnes στο Leiden ανακάλυψε ότι ο υδράργυρος μπορεί να άγει ηλεκτρικό φορτίο χωρίς καμιά αντίσταση στους 4,2 βαθμούς Κέλβιν (4,5 βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν ή -273,15 βαθμούς Κελσίου). Το φαινόμενο εξηγήθηκε μόνο το 1957, και το 1986, ένας νέος τύπος υπεραγωγιμότητας ανακαλύφθηκε σε σύμπλοκα οξείδια χαλκού. Αυτή η, υψηλής θερμοκρασίας, υπεραγωγιμότητα επιβιώνει ακόμη στη «θερμή» θερμοκρασία των 92 βαθμών Κέλβιν.

Αν θα μπορούσε να επεκταθεί προς τη θερμοκρασία δωματίου, η υπεραγωγιμότητα θα οδηγήσει σε πρωτόγνωρες τεχνολογικές εφαρμογές, αλλά μέχρι τώρα, για το φαινόμενο δεν έχει επιτευχθεί μια πλήρης εξήγηση. Αυτό όχι από έλλειψη προσπαθειών από φυσικούς όπως είναι ο θεωρητικός Jan Zaanen, με μια ομάδα πειραματικών φυσικών του Stanford, και ένας από τους συγγραφείς της μελέτης που δημοσιεύθηκε στο Science.

Σάρωση ARPES που αποκαλύπτει την ασυνεχή μετάβαση (Science, Chen et al)

Παράξενο μέταλλο

«Υποθέτω θα κάνει εντύπωση», γράφει ο Zaanen σχετικά με την δημοσίευση, «ακόμη και για τα κριτήρια του Science, δεν είναι ένα συνηθισμένο άρθρο». Από το 1957, είναι γνωστό ότι η υπεραγωγιμότητα προκαλείται από ηλεκτρόνια που διαμορφώνουν ζεύγη, τα οποία μπορούν να κινούνται ανεμπόδιστα μέσω ενός κρυστάλλου. Αυτό συμβαίνει μόνο κάτω από μια κρίσιμη θερμοκρασία, Τc. Ωστόσο, ακόμη και επάνω από αυτή τη θερμοκρασία, υπεραγωγοί υψηλής Τc εμφανίζουν παράξενη συμπεριφορά. Σε αυτή την «παράξενου μετάλλου» φάση, τα ηλεκτρόνια δεν συμπεριφέρονται όπως τα τελείως ανεξάρτητα σωματίδια, όπως γίνεται στα κανονικά μέταλλα, αλλά σαν συλλογικότητες.

Ο Sudi Chen και οι συνάδελφοί του στο Πανεπιστήμιο του Stanford ερεύνησαν τη μετάβαση μεταξύ κανονικού και παράξενου σε υπεραγώγιμο μικτό οξείδιο του χαλκού, του Bi-2212 (οξείδιο του χαλκού με βισμούθιο), χρησιμοποιώντας μια τεχνική που αποκαλείται ARPES (angle-resolved photoemission spectroscopy). Στην ARPES, έντονο υπεριώδες φως στοχεύει στο δείγμα, φέροντας ενέργεια που μπορεί να εκτινάσσει ηλεκτρόνια από αυτό. Η ενέργεια και η ταχύτητα τέτοιων εξοβελισμένων ηλεκτρονίων προδίδουν τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων μέσα στο δείγμα.

Η τεχνική ARPES (Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy)

Νερό που βράζει

Πέρα από τη θερμοκρασία, η παράμετρος doping είναι κρίσιμη. Με μικρο-αλλαγή της ακριβούς χημείας του υλικού, ο αριθμός των φορέων φορτίου που κινούνται ελεύθερα μπορεί να μεταβάλλεται, πράγμα που επηρεάζει τις ιδιότητες. Σε σχετικά θερμές θερμοκρασίες, μόλις επάνω από την υψηλότερη δυνατή Τc, η μετάβαση μεταξύ του κανονικού και του παράξενου μετάλλου λαμβάνει χώρα μεταξύ ενός ποσοστού ντοπαρίσματος 19 και 20%. Σε αυτή την μετάβαση, ο Chen και οι συνάδελφοί του δείχνουν ότι η κατανομή της ενέργειας των ηλεκτρονίων αλλάζει απότομα. Τέτοιες ασυνεχείς μεταβάσεις είναι κοινές στη φυσική. Ένα παράδειγμα είναι το νερό που βράζει: στη μετάβαση από το υγρό νερό σε ατμό, η πυκνότητα κάνει ένα γιγάντιο ασυνεχές άλμα.

Όμως το παράξενο σε αυτή την περίπτωση είναι ότι η ασυνέχεια εξαφανίζεται όταν η θερμοκρασία χαμηλώνει στην περιοχή της υπεραγωγιμότητας: το απότομο εξομαλύνεται και οι ιδιότητες ξαφνικά αλλάζουν συνεχώς.

Στον κάδο απορριμμάτων

«Επομένως, ποια είναι η περίπτωση; Σύμφωνα με μια γενική φυσική αρχή, ασυνεχής συμπεριφορά σε υψηλές θερμοκρασίες θα πρέπει να μεταφράζονται σε ασυνεχή μετάβαση σε χαμηλές θερμοκρασίες», λέει ο Zaanen, «το γεγονός ότι αυτό δεν συμβαίνει δεν αντιστοιχεί με οποιονδήποτε υπολογισμό μέχρι τώρα. Ο πλήρης θεωρητικός μηχανισμός μας αποτυγχάνει».

Αυτό επίσης σημαίνει ότι η αποκαλούμενη κρίσιμη κβαντική μετάβαση, αγαπημένη ανάμεσα στις εξηγήσεις, μπορεί να πεταχτεί στον κάδο απορριμμάτων επειδή προβλέπει μια συνεχή συμπεριφορά του σήματος ARPES όταν το ντοπάρισμα μεταβάλλεται. Σύμφωνα με τον Zaanen, όλα αυτά είναι μια σαφής ένδειξη ότι η φάση του παράξενου μετάλλου είναι συνέπεια της κβαντικής διεμπλοκής. Αυτή είναι η διεμπλοκή των κβαντικών μηχανικών ιδιοτήτων των σωματίων που είναι επίσης ένα ουσιαστικό συστατικό για τους κβαντικούς υπολογιστές.

Κβαντικοί υπολογιστές

Έτσι, ο Zaanen θεωρεί ότι αυτή η συμπεριφορά μπορεί να υπολογιστεί ικανοποιητικά μόνο με τη χρήση κβαντικού υπολογιστή. Ακόμη περισσότερο από το σπάσιμο των κωδίκων ασφάλειας ή τον υπολογισμό μορίων, το παράξενο μέταλλο είναι περίπτωση ιδεώδους ελέγχου, όπου οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να δείξουν τα πλεονεκτήματά τους σε σχέση με τους κανονικούς υπολογιστές.

Το επιμύθιο της ιστορίας, λέει ο Zaanen, είναι ότι η προέλευση της ίδιας της υπεραγωγιμότητας είναι όλο και περισσότερο πλευρικό ζήτημα. «Μετά από τριάντα χρόνια, τα στοιχεία ενισχύουν την άποψη ότι η υψηλής Τc υπεραγωγιμότητα δείχνει προς μια ριζικά νέα μορφή ύλης, η οποία διέπεται από τις συνέπειες της κβαντικής διεμπλοκής στον μακροσκοπικό κόσμο».

Πηγή: Leiden University

Περισσότερα στη δημοσίευση: Incoherent strange metal sharply bounded by a critical doping in Bi2212. Science.