Nadprzewodniki, znane z umożliwiania bezstratnej przewodności elektrycznej, a nawet lewitacji magnetycznej, zwykle działają tylko w ekstremalnie niskich temperaturach. Niedawne badania zidentyfikowały parowanie elektronów, czyli zachowanie rdzenia nadprzewodnika, w materiałach o temperaturach wyższych niż oczekiwano, takich jak izolator antyferromagnetyczny.
Odkrycie dokonane przez badaczy z SLAC i Stanforda może prowadzić do nowych sposobów opracowania nadprzewodników działających w temperaturze bliższej temperaturze pokojowej, potencjalnie rewolucjonizując technologię w wielu dziedzinach, w tym obliczenia kwantowe i transport.
Odkrywanie zagadki nadprzewodników
Przez ostatnie stulecie, od czasu ich odkrycia, nadprzewodniki i ich tajemnicze właściwości atomowe wprawiały badaczy w zachwyt. Te specjalne materiały umożliwiają przepływ prądu przez nie bez strat energii. Umożliwiają nawet lewitację pociągów.
Jednak nadprzewodniki zazwyczaj działają tylko w bardzo niskich temperaturach. Po podgrzaniu materiały te stają się zwykłymi przewodnikami, które umożliwiają przepływ prądu, ale z pewną stratą energii, lub izolatorami, które w ogóle nie przewodzą prądu.
Naukowcy ciężko pracowali, szukając materiałów nadprzewodnikowych, które będą mogły działać w wyższych temperaturach – być może pewnego dnia nawet w temperaturze pokojowej. Znalezienie lub zbudowanie takiego materiału może zmienić nowoczesną technologię, od komputerów i telefonów komórkowych po sieć elektryczną i transport. Co więcej, wyjątkowy stan kwantowy nadprzewodników sprawia, że są one również doskonałymi elementami konstrukcyjnymi komputerów kwantowych.
Przełomowe odkrycia w SLAC
Teraz badacze zaobserwowali, że niezbędna cecha nadprzewodnika – zwana parowaniem elektronów – zachodzi w znacznie wyższych temperaturach, niż wcześniej sądzono, i w materiale, w którym najmniej się tego spodziewamy – w izolatorze antyferromagnetycznym. Chociaż materiał nie miał zerowej rezystancji, odkrycie to sugeruje, że naukowcom być może uda się znaleźć sposoby na przekształcenie podobnych materiałów w nadprzewodniki działające w wyższych temperaturach. Zespół badawczy z SLAC National Accelerator Laboratory, Uniwersytetu Stanforda i innych instytucji opublikował swoje wyniki wyniki 15 sierpnia w dzienniku Nauka.
„Pary elektronów mówią nam, że są gotowe na nadprzewodnictwo, ale coś je powstrzymuje” – powiedział Ke-Jun Xu, absolwent fizyki stosowanej na Uniwersytecie Stanforda i współautor artykułu. „Jeśli uda nam się znaleźć nową metodę synchronizacji par, moglibyśmy zastosować ją do ewentualnego budowania nadprzewodników o wyższej temperaturze”.
Synchronizacja elektronów w celu uzyskania nadprzewodnictwa
W ciągu ostatnich 100 lat badacze dowiedzieli się wiele o tym, jak dokładnie działają nadprzewodniki. Wiemy na przykład, że aby materiał mógł być nadprzewodnikiem, elektrony muszą się sparować i pary te muszą być spójne, czyli ich ruchy muszą być zsynchronizowane. Jeśli elektrony są sparowane, ale niespójne, materiał może stać się izolatorem.
W nadprzewodnikach elektrony zachowują się jak dwie powściągliwe osoby na imprezie tanecznej. Na początku żadna z osób nie chce tańczyć z drugą. Ale wtedy DJ puszcza piosenkę, która podoba się obojgu osobom, pozwalając im się zrelaksować. Zauważają, że cieszą się nawzajem piosenką i przyciągają się z daleka – połączyli się w pary, ale jeszcze nie osiągnęli spójności.
Następnie DJ gra nową piosenkę, którą oboje absolutnie uwielbiają. Nagle obie osoby łączą się w pary i zaczynają tańczyć. Wkrótce wszyscy na imprezie tanecznej podążają ich śladem: wszyscy zbierają się i zaczynają tańczyć do tej samej nowej melodii. W tym momencie partia staje się spójna; jest w stanie nadprzewodzącym.
W nowym badaniu naukowcy zaobserwowali elektrony w środkowej fazie, kiedy elektrony miały zamknięte oczy, ale nie wstawały do tańca.
Cuprates zachowuje się dziwnie
Niedługo po odkryciu nadprzewodników naukowcy odkryli, że przyczyną łączenia i tańca elektronów są wibracje samego materiału znajdującego się pod nimi. Ten rodzaj parowania elektronów zachodzi w klasie materiałów znanych jako konwencjonalne nadprzewodniki, które są dobrze poznane, powiedział Zhi-Xun Shen, profesor ze Stanford i badacz z Instytutu Nauk o Materiałach i Energii Stanforda (SIMES) w SLAC, który nadzorował badania . Konwencjonalne nadprzewodniki pracują w temperaturach zwykle bliskich absolutne zeroponiżej 25 Kelwinów, przy ciśnieniu otoczenia.
Niekonwencjonalne nadprzewodniki – takie jak tlenek miedzi lub miedzian w obecnym badaniu – pracują w znacznie wyższych temperaturach, czasami do 130 kelwinów. Powszechnie uważa się, że w przypadku miedzianów coś poza wibracjami sieci pomaga łączyć elektrony w pary. Chociaż badacze nie są pewni, co dokładnie za tym stoi, głównym kandydatem są zmienne spiny elektronów, które powodują, że elektrony łączą się w pary i tańczą z większym momentem pędu. Zjawisko to znane jest jako kanał falowy, a wczesne oznaki takiego nowego stanu zaobserwowano w eksperymencie w SSRL około trzydzieści lat temu. Zrozumienie, co napędza parowanie elektronów w miedzianach, może pomóc w zaprojektowaniu nadprzewodników pracujących w wyższych temperaturach.
W ramach tego projektu naukowcy wybrali rodzinę miedzianów, która nie została szczegółowo zbadana, ponieważ jej maksymalna temperatura nadprzewodnictwa była stosunkowo niska – 25 kelwinów – w porównaniu z innymi miedzianami. Co gorsza, większość członków tej rodziny jest dobrymi izolatorami. Aby zobaczyć szczegóły atomowe miedzianu, badacze naświetlili próbki materiału światłem ultrafioletowym, co wyrzuciło z materiału elektrony. Gdy elektrony są związane, są nieco bardziej odporne na wyrzucenie, co skutkuje „przerwą energetyczną”. Ta przerwa energetyczna utrzymuje się do 150 kelwinów, co sugeruje, że elektrony są łączone w pary w znacznie wyższych temperaturach niż stan zerowego oporu przy około 25 kelwinach. Najbardziej niezwykłym odkryciem tego badania jest to, że parowanie jest najsilniejsze w próbkach najbardziej izolujących.
Shen stwierdził, że miedzian użyty w badaniu może nie być materiałem umożliwiającym osiągnięcie nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej, około 300 kelwinów. „Ale być może w przypadku innej rodziny materiałów nadprzewodnikowych będziemy mogli wykorzystać tę wiedzę jako wskazówki, jak zbliżyć się do temperatury pokojowej” – powiedział.
„Nasze odkrycia otwierają potencjalnie nową, bogatą ścieżkę naprzód” – powiedział Shen. „Planujemy zbadać tę lukę w parach w przyszłości, aby pomóc w konstruowaniu nadprzewodników przy użyciu nowych metod. Z jednej strony planujemy zastosować podobne podejścia eksperymentalne w SSRL, aby uzyskać lepszy wgląd w ten niespójny stan parowania. Z drugiej strony chcemy znaleźć sposoby manipulowania tymi materiałami, aby być może zmusić te niespójne pary do synchronizacji”.
Odniesienie: „Anomalna przerwa w stanie normalnym w miedzianie domieszkowanym elektronami” autorstwa Ke-Jun Xu, Junfeng He, Su-Di Chen, Yu He, Sebastien N. Abadi, Costel R. Rotundu, Young S. Lee, Dong-Hui Lu, Qinda Guo, Oscar Tjernberg, Thomas P. Devereaux, Dung-Hai Lee, Makoto Hashimoto i Zhi-Xun Shen, 15 sierpnia 2024 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.adk4792
Projekt ten był częściowo wspierany przez Biuro Naukowe DOE. SSRL jest narzędziem użytkownika DOE Office of Science.
