Неочаквано ново поведение в свръхпроводящ материал при температури, смятани за невъзможни

Ако физиците успеят да разберат причината, това може да им помогне да намерят свръхпроводници със стайна температура

Ваня Милева Последна промяна на 22 август 2024 в 00:00 9276 0

Концепция на художник за Купърови двойки.

Кредит SLAC National Accelerator Laboratory
Концепция на художник за Купърови двойки.

Учени са открили важен процес, необходима характеристика на свръхпроводника - наречена електронна двойка – се появява при много по-високи температури, отколкото се смяташе досега, и в материал, където най-малко се очаква - антиферомагнитен изолатор.

Въпреки че материалът не е имал нулево съпротивление, това откритие предполага, че изследователите могат да намерят начини да проектират подобни материали в свръхпроводници, които работят при по-високи температури.

Изследователският екип от Националната ускорителна лаборатория SLAC, Станфордския университет и други институции наскоро са публикували своите резултати в списание Science.

През последния век след откриването им свръхпроводниците и техните загадъчни атомни свойства предизвикват удивление у изследователите. Тези специални материали позволяват на електричеството да преминава през тях без загуби на енергия. Те дори позволяват на влаковете да левитират.

Но свръхпроводниците обикновено работят само при изключително ниски температури. Когато тези материали се нагреят, те се превръщат в обикновени проводници, които позволяват протичането на електричество, но с известна загуба на енергия, или в изолатори, които изобщо не провеждат електричество.

Изследователите усилено търсят материали за свръхпроводници, които да могат да правят магията си при по-високи температури - може би дори при стайна температура някой ден. Намирането или създаването на такъв материал може да промени съвременните технологии - от компютрите и мобилните телефони до електрическата мрежа и транспорта. Освен това уникалното квантово състояние на свръхпроводниците ги прави отлични градивни елементи за квантови компютри.

Несинхронизирани електрони

През последните 100 години изследователите са научили много за това как точно работят свръхпроводниците. Знае се например, че за да може даден материал да е свръхпроводим, електроните трябва да се сдвояват - обикновено два отрицателни заряда трябва да се отблъскват взаимно. Но вместо това се случва нещо странно: електроните се свързват в "двойка на Купър" и тези двойки трябва да са кохерентни - т.е. движенията им трябва да са синхронизирани. Ако електроните са сдвоени, но некохерентни, материалът може да се окаже изолатор.

Сега учените от Станфорд са открили, че електронни двойки могат да се появяват при много по-високи температури в необичаен материал - който е изолатор.

"Електронните двойки ни казват, че са готови да станат свръхпроводими, но нещо ги спира“, коментира Ке-Джун Сю (Ke-Jun Xu), дипломант по приложна физика в Станфорд и съавтор на статията. "Ако успеем да намерим нов метод за синхронизиране на двойките, бихме могли да го приложим за евентуално изграждане на свръхпроводници с по-висока температура."

В свръхпроводниците електроните се държат като двама интроверти на денс парти. Първоначално никой от тях не иска да танцува с другия. Но след това диджеят пуска песен, която се харесва и на двамата, което им позволява да се отпуснат. Те забелязват, че и на двамата се харесва песента, и се привличат отдалеч - те усещат, че са един за друг, но все още не са станали кохерентни.

След това диджеят пуска нова песен, която и двамата много харесват. Изведнъж двамата се събират и започват да танцуват. Скоро всички на танцувалното парти следват примера им: Всички се събират на двойки и започват да танцуват на новата мелодия. В този момент партито става кохерентно; то е в състояние на свръхпроводимост.

В новото изследване изследователите наблюдават електрони в среден стадий, където електроните са се разбрали с очи, но не стават да танцуват.

Илюстрация на два електрона, които преминават от несинхронизиран към синхронизиран танц в свръхпроводим материал. Кредит: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

Купърови двойки

Особените свойства на свръхпроводимостта се дължат на образуването на т.нар. двойки на Купър (или купърови двойки).

Във физиката на кондензираната материя купъровата двойка обикновено е свързано състояние на два електрона, свързани чрез обмен на виртуални фонони. Когато еластичните вълни, колективното движение на положително заредената решетка на кристала е квантувано, съответните кванти се наричат ​​фонони.

Много двойки Купър могат да заемат едно и също пространство - електроните да имат спин - 1⁄2, т.е. те са фермиони - но общият спин на двойка на Купър е цяло число (0 или 1), така че тя е съставен бозон. Това означава, че за разлика от електроните, на множество двойки Купър е позволено да бъдат в едно и също квантово състояние, което е отговорно за явлението свръхпроводимост. (вж "Принципът на Паули. Еволюцията на звездите")

Купърови двойки. Кредит: Notes on Superconductivity · Ashwin's Chronicles

Това свързване води до липса на електрическо съпротивление в материала при ниски температури. Образуването на двойки на Купър зависи от температурата на материала поради ролята на вибрациите на решетката или фононите. При по-високи температури топлинната енергия нарушава образуването и стабилността на двойките на Купър. С понижаването на температурата вибрациите на решетката намаляват, което улеснява електроните да образуват двойки и да се движат през материала без разсейване, което води до свръхпроводимост. 

Двойките на Купър в неконвенционалните свръхпроводници се свързват по начини, които не са били описани в ранните модели на свръхпроводимостта, начини, които също така означават, че те се появяват при по-високи температури.

Купратите се държат странно

Малко след откриването на свръхпроводниците изследователите откриват, че това, което кара електроните да се сдвояват и да танцуват, са вибрациите в самия материал. Този вид сдвояване на електрони се случва в клас материали, известни като конвенционални свръхпроводници, които са добре проучени, коментира Жи-Сун Шен (Zhi Xun Shen), професор от Станфорд и изследовател от Станфордския институт за материали и енергийни науки (SIMES) в SLAC, който ръководи изследването. Конвенционалните свръхпроводници работят при температури, които обикновено са близки до абсолютната нула, под 25 Келвина (-248° по Целзий), при атмосферно налягане.

Неконвенционалните свръхпроводници - като материала от меден оксид или купрат в настоящото изследване - работят при значително по-високи температури, понякога до 130 Келвина (-143.15° С). Широко разпространено е мнението, че в купратите нещо друго, освен вибрациите на решетката, помага за сдвояването на електроните. Въпреки че изследователите не са сигурни какво точно стои зад това, водещият кандидат е колебаещият се електронен спин, който кара електроните да се сдвояват и да танцуват с по-голям ъглов момент. Това явление е известно като вълнови канал - и първите признаци на такова ново състояние са наблюдавани при експеримент в SSRL преди около три десетилетия. Разбирането на това, което задвижва сдвояването на електроните в купратите, може да помогне за проектирането на свръхпроводници, които работят при по-високи температури.

В този проект учените избират семейство купрати, което не е изследвано задълбочено, тъй като максималната му температура на свръхпроводимост е сравнително ниска - 25 Келвина (-248° С) - в сравнение с други купрати. Още по-лошо е, че повечето членове на това семейство са добри изолатори. За да видят атомните детайли на купратите, изследователите облъчват с ултравиолетова светлина образци от материала, което изхвърля електрони от материала. Когато електроните са свързани, те са малко по-устойчиви на изхвърляне, което води до "енергийна пропаст". Тази енергийна пропаст се запазва до 150 Келвина (-123° С), което предполага, че електроните се сдвояват при много по-високи температури от състоянието на нулево съпротивление при около 25 Келвина. Най-необичайното откритие на това изследване е, че сдвояването е най-силно в най-изолиращите образци.

Справка: Ke-Jun Xu et al. ,Anomalous normal-state gap in an electron-doped cuprate. Science 385, 796-800 (2024). DOI: 10.1126/science.adk4792 

Източник: Researchers observe “locked” electron pairs in a superconductor cuprate, SLAC National Accelerator Laboratory

Виж още за:
    Най-важното
    Всички новини

    Още от Физика

    Коментари

    За писането на коментар е необходима регистрация.
    Моля, регистрирайте се от TУК!
    Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

    Няма коментари към тази новина !