Výskumníci zverejnili nový teoretický rámec.

Fyzici identifikovali mechanizmus zodpovedný za vytváranie oscilujúcich supravodičov, nazývaných vlny hustotných párov. Výsledky, ktoré poukazujú na atypický stav vysokej supravodivosti pozorovaný v určitých materiáloch, ako sú vysokoteplotné supravodiče, sú publikované v Fyzické kontrolné listy.

„Zistili sme, že štruktúry známe ako Van Hove singularity môžu produkovať modifikované, oscilujúce stavy supravodivosti,“ hovorí Louise Santos, odborný asistent fyziky na Emory University a hlavný autor štúdie. „Naša práca poskytuje nový teoretický rámec na pochopenie vzniku tohto správania, fenoménu, ktorý nie je dobre pochopený.“

Prvým autorom štúdie je Pedro Castro, postgraduálny študent fyziky z Emory. Spoluautormi sú Daniel Shaffer, postdoktorand zo skupiny Santos, a Yi-Ming Wu zo Stanfordskej univerzity.

Santos je teoretický vedec špecializujúci sa na fyziku kondenzovaných látok. Študuje interakcie kvantovej hmoty – malých vecí, ako sú atómy, fotóny a elektróny – ktoré sa nesprávajú podľa zákonov klasickej fyziky.

Supravodivosť alebo schopnosť niektorých materiálov viesť elektrinu bez straty energie pri ochladení na extrémne nízku teplotu je jedným z príkladov zaujímavého kvantového správania. Tento jav bol objavený v roku 1911, keď holandský fyzik Heike Kamerling Onnes ukázal, že ortuť stratila svoj elektrický odpor, keď sa ochladila na 4 Kelviny alebo mínus 371 stupňov. F. Ide o teplotu Uránnajchladnejšia planéta slnečnej sústavy.

Vedcom trvalo až do roku 1957, kým prišli s vysvetlením, ako a prečo k supravodivosti dochádza. Pri normálnych teplotách putujú elektróny viac-menej samostatne. Zrážajú sa s inými časticami, čo spôsobuje, že menia rýchlosť a smer a rozptyľujú energiu. Avšak pri nižších teplotách sa elektróny môžu organizovať do nového stavu hmoty.

Louise Santos, odborná asistentka fyziky na Emory University, je hlavnou autorkou štúdie. Kredit: Emory University

„Tvoria páry spojené dohromady v kolektívnom stave, ktoré pôsobia ako jedna entita,“ vysvetľuje Santos. „Môžete si ich predstaviť ako vojakov v armáde. Ak sa pohybujú v izolácii, dajú sa ľahko odkloniť. Ale keď kráčajú spolu rovnomerným tempom, je veľmi ťažké ich destabilizovať. Tento kolektívny štát nesie prúd v mocný spôsob.“

Supravodivosť má obrovský potenciál. Teoreticky by to mohlo umožniť, aby elektrický prúd prechádzal drôtmi bez toho, aby sa zahrievali alebo stratili energiu. Tieto drôty potom môžu prenášať oveľa viac elektriny as oveľa vyššou účinnosťou.

„Jednou z veľkých svätí fyziky je supravodivosť pri izbovej teplote, ktorá je dostatočne praktická pre každodenné aplikácie,“ hovorí Santos. „Tento prielom by mohol zmeniť podobu civilizácie.“

Mnoho fyzikov a inžinierov pracuje na tejto frontovej línii, aby zmenili spôsob prenosu elektriny.

Medzitým si supravodivosť už našla uplatnenie. Supravodivé cievky fungujú na magnetickej energii používanej v zariadeniach na zobrazovanie pomocou magnetickej rezonancie (MRI) na lekársku diagnostiku. Vo svete je teraz v prevádzke niekoľko magnetických levitačných vlakov, ktoré sú postavené na supravodivých magnetoch desaťkrát silnejších ako bežné elektromagnety. Magnety sa odpudzujú, keď sú dva identické póly oproti sebe, čím sa vytvára magnetické pole schopné zdvihnúť a poháňať vlak.

Veľký hadrónový urýchľovač, urýchľovač častíc, ktorý vedci používajú na výskum základnej štruktúry vesmíru, je ďalším príkladom technológie, ktorá funguje prostredníctvom supravodivosti.

Supravodivosť sa stále objavuje vo viacerých materiáloch, vrátane mnohých, ktoré sú supravodivé pri vyšších teplotách.

Jedným z cieľov Santosovho výskumu je, ako môžu interakcie medzi elektrónmi viesť k formám supravodivosti, ktoré nemožno vysvetliť opisom supravodivosti z roku 1957. Príkladom takzvaného exotického javu je oscilujúca supravodivosť, keď párové elektróny tancujú vo vlnách a menia kapacitu. .

V nesúvisiacom projekte Santos požiadal Castra, aby preskúmal určité vlastnosti van Hoveových singularít, štruktúr, v ktorých sa mnohé elektronické stavy energeticky zblížia. Projekt Castro odhalil, že singularity majú zrejme správny druh fyziky na nasadenie oscilujúcich supravodičov.

To prinútilo Santosa a jeho spolupracovníkov kopať hlbšie. Objavili mechanizmus, ktorý by umožnil, aby sa z van Hoveových singularít vynorili tanečné vlnové stavy supravodivosti.

„Ako teoretickí fyzici chceme byť schopní predpovedať a klasifikovať správanie, aby sme pochopili, ako príroda funguje,“ hovorí Santos. „Potom môžeme začať klásť relevantné technologické otázky.“

Niektoré vysokoteplotné supravodiče – ktoré pracujú pri teplotách trikrát nižších ako domáca mraznička – majú toto tanečné vlnové správanie. Zistenie, ako sa toto správanie vynára z van Hoveových singularít, poskytuje experimentátorom základ na preskúmanie sveta možností, ktoré ponúka.

„Pochybujem, že Kamerlingh Onnes myslel na levitácie alebo urýchľovače častíc, keď objavil supravodivosť,“ hovorí Santos. „Ale všetko, čo sa dozvieme o svete, má potenciálne využitie.“

Odkaz: „Vznik preplňovanej Chernovej vlny a hustoty párov prostredníctvom singularít Van Hove vyššieho rádu v modeli Haldane-Hubbard“ od Pedra Castra, Daniela Shaffera, Ye-Ming Wu a Louise H. Santos, 11. júla 2023, k dispozícii tu . Fyzické kontrolné listy.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.026601

Práca bola financovaná Úradom základných energetických vied Ministerstva energetiky USA.