Τα υλικά που βρίσκονται σε υπεραγώγιμη κατάσταση προκαλούν έντονο ενδιαφέρον στους επιστήμονες.
Ο λόγος είναι οι σπάνιες ιδιότητές τους, κυρίως η ικανότητα να άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα χωρίς αντίσταση και χωρίς απώλειες λόγω θερμότητας, κάτι που μπορεί να αλλάξει ριζικά την πληροφορική, τα δίκτυα ενέργειας και τις μεταφορές.
Το φαινόμενο αυτό εμφανίζεται όταν τα ελεύθερα ηλεκτρόνια συμπυκνώνονται σε μια κβαντική κατάσταση χαμηλής ενέργειας σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, σχηματίζοντας τα λεγόμενα ζεύγη Cooper, ώστε να κινούνται μέσα στα υλικά χωρίς παρεμβολές.
Το 2007, επιστήμονες είχαν προβλέψει την ύπαρξη ενός πιο εξωτικού τύπου κίνησης ηλεκτρονίων, που ονομάζεται pair density wave (PDW), όπου τα ζεύγη Cooper σχηματίζουν συγκεκριμένα μοτίβα καθώς κινούνται, σαν κυματισμοί στην άμμο.
Τώρα, μια ομάδα με επικεφαλής ερευνητές από το University of Illinois at Urbana-Champaign εντόπισε πειστικές ενδείξεις PDW στην επιφάνεια του μετάλλου uranium ditelluride, με τα αποτελέσματά τους να δημοσιεύονται στο PNAS.
Το ακόμη πιο ενδιαφέρον είναι ότι τα μοτίβα βρέθηκαν να επιμένουν και έξω από τη συνήθη υπεραγώγιμη κατάσταση, κάτι που δεν είχε παρατηρηθεί ποτέ ξανά.
«Οι pair density waves είναι το χαμόγελο της Αλίκης στη χώρα των θαυμάτων της υπεραγωγιμότητας», λέει ο φυσικός Eduardo Fradkin από το University of Illinois at Urbana-Champaign.
«Είναι το ίχνος που απομένει αφού η ίδια η φάση έχει εξαφανιστεί.
«Στους συμβατικούς υπεραγωγούς, τα ζεύγη Cooper σχηματίζονται όταν ολοκληρώνεται η πλήρης μεταβατική φάση, αλλά σε αυτό το σύστημα η παρατήρησή τους στα PDWs πάνω από το σημείο μετάβασης δείχνει ότι σχηματίζονται νωρίτερα, σε διαφορετική κατάσταση».
Το uranium ditelluride γίνεται υπεραγωγό κάτω από περίπου 2,1 Kelvin (περίπου -271 °C ή -456 °F) και παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τους ερευνητές, καθώς θεωρείται ότι είναι ένας σπάνιος υπεραγωγός «spin-triplet», στον οποίο τα ζεύγη ηλεκτρονίων έχουν επίσης μια μικρή μαγνητική προσανατολισμό.
Ενδείξεις PDW είχαν ανιχνευθεί και παλαιότερα στο μέταλλο, αλλά αυτή τη φορά οι ερευνητές εξέτασαν το υλικό πιο προσεκτικά, χρησιμοποιώντας μια ειδικά κατασκευασμένη, υψηλής ποιότητας μορφή ουρανίου διτελλουριδίου.
Το υλικό εξετάστηκε με ένα vector magnetic field scanning tunneling microscope (STM), το οποίο μπορεί να μετρά μαγνητικές αποκρίσεις σε πολλαπλές, αυθαίρετες κατευθύνσεις.
«Ένα βασικό πλεονέκτημα του πειράματός μας ήταν ο νέος εξοπλισμός vector-magnet, που παρέχει ένα ασυνήθιστα μεγάλο εύρος μαγνητικού πεδίου σε πολλαπλές κατευθύνσεις», λέει ο φυσικός Zhen Zhu από το University of Illinois at Urbana-Champaign.
«Με τη συστηματική μεταβολή τόσο του μεγέθους όσο και της κατεύθυνσης του πεδίου, μαζί με τη θερμοκρασία, μπορέσαμε να παρακολουθήσουμε πώς εξελίσσονταν αυτοί οι τρόποι και να ενισχύσουμε την εμπιστοσύνη μας ότι η συμπεριφορά που παρατηρήσαμε ήταν εγγενής».
Οι ερευνητές πρόσθεσαν θεωρητικά μοντέλα για να εξηγήσουν τα μοτίβα φορτίου που έβλεπαν κάτω από την κρίσιμη θερμοκρασία που απαιτείται για υπεραγωγιμότητα, αλλά και σε ένα σημείο σημαντικά πάνω από αυτήν.
«Χάρη σε νέες μεθόδους καλλιέργειας υψηλότερης ποιότητας δειγμάτων, μπορέσαμε να παρατηρήσουμε φασματικές υπογραφές που ανταποκρίνονται στη θερμοκρασία και στα μαγνητικά πεδία ακριβώς όπως θα έπρεπε οι pair density waves», λέει η φυσικός Vidya Madhavan από το University of Illinois at Urbana-Champaign.
«Δείξαμε ακόμη ότι οι τρόποι αυτοί επιμένουν πάνω από τη θερμοκρασία στην οποία εξαφανίζεται η υπεραγωγιμότητα, μια σαφή θεωρητική πρόβλεψη που δεν είχε παρατηρηθεί πειστικά μέχρι τώρα».
Αυτό δεν σημαίνει ότι στο uranium ditelluride εμφανίζεται μαζική υπεραγωγιμότητα σε υψηλότερες θερμοκρασίες, αλλά βοηθά τους φυσικούς να κατανοήσουν πώς λειτουργούν τα ζεύγη Cooper και πώς μπορούν να υπάρχουν έξω από τη συμβατική υπεραγώγιμη κατάσταση.
Μπορεί επίσης να βοηθήσει τους ερευνητές να κατανοήσουν καλύτερα τη φυσική που χρειάζεται για την ανάπτυξη υπεραγωγών σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Τέτοιες εξελίξεις θα μπορούσαν τελικά να κάνουν αυτά τα υλικά ευρύτερα αξιοποιήσιμα.
Υπάρχει ακόμη μια κατάσταση κυματισμού ηλεκτρονίων που ονομάζεται charge density waves (CDWs), όπου ορισμένα ηλεκτρόνια σχηματίζουν μη ομοιόμορφα μοτίβα. Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο αυτά τα κύματα συνδέονται με τα PDWs θα είναι κρίσιμη για την ερμηνεία των πειραματικών αποτελεσμάτων στο μέλλον.
«Τα PDWs είναι δύσκολα στην ανάλυση σε πραγματικά υλικά, γιατί σε ορισμένα πειράματα συμπεριφέρονται σαν συμβατικοί υπεραγωγοί και σε άλλα σαν CDWs», λέει ο φυσικός Julian May-Mann από το Stanford University.
«Η επιβεβαίωση της ύπαρξης ενός PDW απαιτεί τόσο υψηλής ποιότητας πειραματικά δεδομένα όσο και προσεκτική θεωρητική ανάλυση».
Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο PNAS.
Το άρθρο ελέγχθηκε ως προς την ακρίβεια από τον Peter Dockrill και επιμελήθηκε από τον Peter Dockrill. Παρότι δίνουμε μεγάλη σημασία στη διαδικασία μας, παραμένουμε άνθρωποι. Αν εντοπίσετε κάποιο λάθος, ενημερώστε μας.
Το παρόν κείμενο δημιουργήθηκε με τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης.
