Sekret wysokotemperaturowego nadprzewodnictwa

Po 30 latach od zidentyfikowania pierwszych wysokotemperaturowych nadprzewodników udało się odkryć tajemnicę ich niezwykłych właściwości. Nadprzewodniki, czyli materiały przewodzące prąd elektryczny bez żadnych oporów, mogą być wykorzystywane w wielu niezwykle obiecujących zastosowaniach – od bezstratnych sieci przesyłowych poprzez superkomputery po lewitujące pociągi. Problem jednak w tym, że dotychczas nie wiadomo było, jakie zjawiska leżą u podstaw wysokotemperaturowego nadprzewodnictwa.

Pierwsze konwencjonalne nadprzewodniki odkryto na początku ubiegłego wieku. Materiały te wykazują jednak właściwości nadprzewodzące w bardzo niskich temperaturych, bliskich zeru absolutnemu czyli -273 stopniom Celsjusza. W połowie lat 80. zauważono natomiast, że istnieją nadprzewodniki wysokotemperaturowe, czyli materiały, w których nadprzewodnictwo występuje w temperaturach sięgających -135 stopni Celsjusza. Wykorzystanie takich materiałów w praktyce jest znacznie bardziej prawdopodobne.

Od 30 lat poszukiwanie wysokotemperaturowych nadprzewodników odbywało się na chybił trafił. Naukowcy wiedzieli, co jest potrzebne do stworzenie dobrego nadprzewodnika niskotemperaturowego, ale nie mieli pojęcia, jakie sekrety kryją się za nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym. Teraz naukowcy z Cambridge University odkryli, że fale gęstości ładunku tworzą w takich materiałach zakręcone „kieszenie” elektronów i to one właśnie decydują o pojawieniu się nadprzewodnictwa.

W nadprzewodnikach, podobnie jak we wszystkich innych materiałach, ładunek elektryczny przenoszony jest przez elektrony. Jednak o ile zwykle elektrony podróżują samodzielnie i zderzają się ze sobą tracąc energię, o tyle w nadprzewodnikach poruszają się w blisko powiązanych parach. Takie pary przemieszczają się bez problemów przez strukturę nadprzewodnika i przenoszą ładunek elektryczny nie napotykając na żadne opory. Dopóki temperatura nadprzewodnika jest odpowiednio niska, dopóty pary elektronów są w stanie się poruszać. W tradycyjnych nadprzewodnikach główną rolę odgrywa interakcja pomiędzy elektronami a strukturą materiału. Dzięki tej interakcji powstaje rodzaj „kleju” łączącego elektrony w pary. Siła tego połączenia jest bezpośrednio powiązana z właściwościami nadprzewodzącymi. Gdy temperatura materiału rośnie lub jest on wystawiony na działanie pola magnetycznego „klej” ulega osłabieniu, pary elektronów rozpadają się i tracimy właściwości nadprzewodzące.

„Problem w odnajdowaniu kolejnych wysokotemperaturowych nadprzewodników polega na tym, że nie wiemy, jakie składniki są potrzebne do powstania nadprzewodnictwa w wysokich temperaturach. Wiemy, że tam też istnieje jakiś rodzaj „kleju” łączącego elektrony w pary, ale nie wiemy, czym jest ten „klej”” - mówi doktor Suchitra Sebastian z Cambridge.

Naukowcy postanowili podejść do problemu od innej niż zwykle strony. Postanowili określić, jakie właściwości ma materiał przed przejściem w stan nadprzewodnictwa. „ Próbowaliśmy zrozumieć, jakie interakcje zachodzą, zanim elektrony połączą się w pary, gdyż stwierdziliśmy, że to właśnie jedna z tych interakcji musi prowadzić do pojawienia się „kleju”. Gdy elektrony utworzą pary trudno jest określić, co je łączy. Ale jeśli uda się rozbić pary, to może zobaczymy, co elektrony robią i zrozumiemy, jak powstaje nadprzewodnictwo” - mówi doktor Sebastian.

Naukowcy wykorzystali niezwykle silne pole magnetyczne do „wyłączenia” stanu nadprzewodzącego w miedzianach. Dotychczas podczas tego typu badań podnoszono temperaturę, co dawało niejednoznaczne wyniki. Jako, że miedziany są dobrymi nadprzewodnikami, konieczne było użycie pole magnetycznego o natężeniu około 100 tesli. Dopiero dzięki temu udało się odkryć tajemnicę wysokotemperaturowych nadprzewodników.

Okazało się, że wspomniane na wstępie „kieszenie” z elektronami, o których sądzono, że występują tylko w miejscach najsilniejszego nadprzewodnictwa, układają się w naprzemienne warstwy, z których co druga jest zwrócona w tę samą stronę.

nadprzewodnik nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe