Nowe badania nadprzewodników Bi2212 wykorzystujące światło ujawniają kluczowe informacje na temat nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego, przyspieszając poszukiwania zastosowań w temperaturze pokojowej.
Tlenek miedzi (CuO2) nadprzewodniki, w tym Bi2senior2CaCu2O8+δ (Bi2212) charakteryzują się niezwykle wysokimi temperaturami krytycznymi. Poprzednie badania wykorzystujące pomiary współczynnika odbicia optycznego wykazały, że Bi2212 wykazuje silną anizotropię optyczną, co oznacza, że jego właściwości optyczne zmieniają się w zależności od kierunku padającego światła. Jednakże jego anizotropia optyczna nie została dokładnie zbadana poprzez pomiary przepuszczalności optycznej, które zapewniają bardziej bezpośredni wgląd w wewnętrzną strukturę materiału.
Niedawno badacze zastosowali techniki przepuszczalności światła ultrafioletowego i światła widzialnego na monokryształach Bi2212 domieszkowanych ołowiem, odkrywając źródło tej anizotropii i torując drogę do głębszego zrozumienia mechanizmów nadprzewodnictwa.
Nadprzewodniki wysokotemperaturowe
Nadprzewodniki to materiały, które po schłodzeniu poniżej określonej temperatury krytycznej mogą przewodzić prąd elektryczny przy zerowym oporze. Ta wyjątkowa właściwość sprawia, że są one niezbędne w najnowocześniejszych technologiach, takich jak silniki elektryczne, generatory prądu, szybkie pociągi maglev i obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI).
Wśród nadprzewodników szczególnie niezwykłe są materiały na bazie tlenku miedzi, takie jak Bi2212, ponieważ działają w stosunkowo wysokich temperaturach, przekraczających teoretyczną granicę nadprzewodnictwa określoną przez teorię Bardeena – Coopera – Schrieffera (BCS). Pomimo dziesięcioleci badań mechanizm leżący u podstaw nadprzewodnictwa w tych materiałach wysokotemperaturowych pozostaje jedną z najbardziej fascynujących tajemnic fizyki.
Badanie anizotropii optycznej w nadprzewodnikach
Kluczowym elementem układanki jest dwuwymiarowy CuO2 płaszczyznę krystaliczną tych materiałów, co zostało szeroko zbadane za pomocą różnych eksperymentów. Pomiary współczynnika odbicia optycznego, które analizują, jak światło o różnych długościach fal odbija się od płaszczyzny kryształu z różnych kierunków, ujawniają, że Bi2212 wykazuje wyraźną anizotropię optyczną zarówno w swoich „ok” I „AC„krystaliczne płaszczyzny”.
Anizotropia optyczna opisuje zmianę właściwości optycznych materiału w oparciu o kierunek, w którym przechodzi przez niego światło. Teraz, chociaż pomiary współczynnika odbicia dostarczyły cennych informacji, badanie sposobu, w jaki światło przechodzi przez kryształ przy różnych długościach fal za pomocą optycznych pomiarów „przepuszczalności” anizotropii optycznej Bi2212, może zapewnić bardziej bezpośredni wgląd w właściwości objętościowe. Jednak takie badania były dotychczas rzadko przeprowadzane.
Innowacyjne podejścia badawcze w zakresie nadprzewodnictwa
Aby wypełnić tę lukę, japoński zespół badawczy, kierowany przez profesora dr Toru Asahi, badacza dr Kentę Nakagawę i studenta studiów magisterskich Keigo Tokitę z Wydziału Nauki i Inżynierii Organizacji Kompleksowych Badań na Uniwersytecie Waseda, zbadał pochodzenie silnego anizotropia optyczna monokryształów Bi2212 domieszkowanych ołowiem przy użyciu pomiarów przepuszczalności światła ultrafioletowego i widzialnego.
Rozwijając dalej, profesor dr Asahi dzieli się następującym stwierdzeniem: „Osiągnięcie nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej od dawna było marzeniem wymagającym zrozumienia mechanizmów nadprzewodnictwa w nadprzewodnikach wysokotemperaturowych. Nasze unikalne podejście polegające na wykorzystaniu pomiarów transmisji światła ultrafioletowego jako sondy pozwala nam wyjaśnić te mechanizmy w Bi2212, co przybliża nas o krok do tego celu.
Wyniki badań, w których uczestniczył także prof. dr Masaki Fujita z Instytutu Badań Materiałowych Uniwersytetu Tohoku, opublikowano niedawno w czasopiśmie Raporty naukowe.
Postępy w zrozumieniu anizotropii optycznej
W swojej poprzedniej pracy naukowcy badali zależność anizotropii optycznej Bi2212 od długości fali w temperaturze pokojowej wzdłuż osi kryształu „c”, używając uogólnionego, uniwersalnego polarymetru o dużej dokładności. Ten potężny instrument umożliwia jednoczesne pomiary transmisji markerów anizotropii optycznej — liniowej dwójłomności (LB) i liniowego dichroizmu (LD) — wraz z aktywnością optyczną (OA) i dichroizmem kołowym (CD) w obszarze światła ultrafioletowego do światła widzialnego. Ich wcześniejsze odkrycia ujawniły znaczące piki w widmach LB i LD, które, jak przypuszczają, pochodzą z nieproporcjonalnej modulacji struktury krystalicznej Bi2212, charakteryzującej się okresowymi zmianami, które nie są współmierne do zwykłego układu jego atomów.
Aby wyjaśnić, czy rzeczywiście tak jest, w tym badaniu zespół zbadał anizotropię optyczną kryształów Bi2212 domieszkowanych ołowiem. „Poprzednie badania wykazały, że częściowe podstawienie Bi przez Pb w kryształach Bi2212 tłumi nieproporcjonalną modulację” – wyjaśnia pan Tokita. W tym celu zespół wytworzył pojedyncze cylindryczne kryształy Bi2212 o różnej zawartości ołowiu, stosując metodę strefy pływającej. Następnie z kryształów uzyskano ultracienkie próbki płytek, które umożliwiają przepuszczanie światła ultrafioletowego i widzialnego, poprzez złuszczanie za pomocą rozpuszczalnej w wodzie taśmy.
Eksperymenty wykazały, że duże piki w widmach LB i LD znacznie zmniejszały się wraz ze wzrostem zawartości ołowiu, co jest zgodne z tłumieniem nieproporcjonalnej modulacji. Ta redukcja jest kluczowa, ponieważ pozwala na dokładniejszy pomiar OA i CD w przyszłych eksperymentach.
Komentując te odkrycia, prof. dr Asahi zauważa: „To odkrycie umożliwia zbadanie obecności lub braku łamania symetrii w fazach pseudoprzerwy i nadprzewodnictwa, co jest kluczową kwestią w zrozumieniu mechanizmu nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego. Przyczynia się do rozwoju nowych nadprzewodników wysokotemperaturowych.”
Badanie to stanowi kluczowy krok w poszukiwaniu nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej i stanowi przełom, który może zrewolucjonizować technologie, od przesyłu energii po obrazowanie medyczne i transport.
Odniesienie: „Zależność długości fali liniowej dwójłomności i liniowego dichroizmu Bi2-XPbXsenior2CaCu2O8+δ monokryształy” autorstwa Keigo Tokity, Kenty Nakagawy, Kun Zhanga, Komei Okano, Masataki Matsumoto, Takuyi Nakanishi, Masaki Fujita i Toru Asahi, 7 listopada 2024 r., Raporty naukowe.
DOI: 10.1038/s41598-024-78208-6
