Φυσικοί «άκουσαν» ηλεκτρικό θόρυβο για να λύσουν μυστήριο των υπεραγωγών

Οι υπεραγωγοί μεταφέρουν ηλεκτρισμό χωρίς αντίσταση, αλλά οι περισσότεροι λειτουργούν μόνο λίγους βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν. Στα τέλη της δεκαετίας του 1980, βρέθηκε ότι υλικά με βάση τον χαλκό, τα λεγόμενα cuprates, γίνονται υπεραγώγιμα σε υψηλότερες θερμοκρασίες, που μπορούν να επιτευχθούν με οικονομικό υγρό άζωτο. Ωστόσο, σχεδόν 40 χρόνια μετά, οι φυσικοί εξακολουθούν να μη συμφωνούν για το γιατί.

Σε πρόσφατη μελέτη στο Science, ομάδα φυσικών με επικεφαλής τον Μίλαν Άλαν του Πανεπιστημίου Λούντβιχ Μαξιμιλιαν του Μονάχου και τον Ίνγκμαρ Σουαρτ του Πανεπιστημίου της Ουτρέχτης στην Ολλανδία βρήκε ορισμένες απαντήσεις, «ακούγοντας» το αχνό ηλεκτρικό τριζοβόλημα του ρεύματος που περνά σε ένα cuprate.

Το μυστήριο των «χαμένων» ηλεκτρονίων

Κεντρικό στοιχείο του μυστηρίου της υπεραγωγιμότητας υψηλής θερμοκρασίας στα cuprates είναι μια παράξενη κατάσταση που ονομάζεται ψευδοχάσμα. «Το ψευδοχάσμα είναι ένα φαινόμενο χαμένων ηλεκτρονίων», είπε ο Άλαν. Πάνω από τη θερμοκρασία στην οποία τα cuprates γίνονται υπεραγώγιμα, ορισμένα από τα ηλεκτρόνιά τους μοιάζουν να εξαφανίζονται, καθώς οι μετρήσεις βρίσκουν πολύ λιγότερα στις ενέργειες όπου θα έπρεπε να βρίσκονται. «Όλοι ξέρουν από διαφορετικές μεθόδους ότι υπάρχουν αυτά τα ηλεκτρόνια που εξαφανίζονται, αλλά κανείς δεν ξέρει γιατί», είπε ο Άλαν.

Στη διάρκεια των δεκαετιών, οι φυσικοί έχουν προτείνει δύο βασικές, ανταγωνιστικές εξηγήσεις. Η πρώτη υποθέτει ότι τα ηλεκτρόνια παγιδεύονται σε κάποια μορφή δομής. Σε αυτή την εκδοχή, τα ηλεκτρόνια παγώνουν σε μοτίβα, όπως τα κύματα πυκνότητας φορτίου, και η υπεραγωγιμότητα αναπτύσσεται ξεχωριστά. Η άλλη εξήγηση συνδέει στενά το φαινόμενο με την υπεραγωγιμότητα. «Άλλοι πιστεύουν ότι λείπουν επειδή σχηματίζουν ζεύγη», είπε ο Άλαν. Τα ζεύγη ηλεκτρονίων, που ονομάζονται ζεύγη Κούπερ, είναι αυτά που μεταφέρουν το ρεύμα σε έναν υπεραγωγό. Αν, καθώς το υλικό ψύχεται, αυτά τα ζεύγη εμφανίζονται πριν το υλικό γίνει υπεραγώγιμο, τότε θα αποτελούσαν προϋπόθεση της υπεραγωγιμότητας, ένα είδος προθαλάμου όπου υπάρχουν ζεύγη, αλλά δεν μπορούν ακόμη να κινούνται μαζί με απόλυτο συγχρονισμό.

Η επίλυση αυτού αποδείχθηκε εξαιρετικά δύσκολη. «Πολλά διαφορετικά πειραματικά σήματα είναι κάπως συγκεντρωμένα μέσα σε αυτό», είπε ο Άλαν. Διαφορετικά όργανα βλέπουν κάτι, αλλά οι μετρήσεις τους, σύμφωνα με τον ίδιο, δεν είναι ποτέ οριστικές. «Είναι πάντα κάτι κάπως ασύμμετρο, δύσκολο να το συλλάβεις», είπε. Αυτό που χρειάζονταν οι ερευνητές ήταν ένας τρόπος να δουν τα ζεύγη απευθείας, και ο Άλαν με τους συνεργάτες του βρήκαν πώς να το κάνουν.

Πηγή: arstechnica.com.