Naukowcy rozwiązali jedną z największych zagadek nadprzewodników

Na Uniwersytecie Technicznym w Wiedniu badacze postawili kolejny krok na drodze do zrozumienia nadprzewodników wysokotemperaturowych. Badacze zajęli się grupą materiałów zwaną miedzianami, które przejawiają nietypowe zachowanie – pod pewnymi warunkami elektrony w tych materiałach mogą poruszać się tylko w określonych kierunkach. Kierunki te można przedstawić w postaci krzywych, znanych jako łuki Fermiego. To właśnie one są kluczem do odkrycia zagadek nadprzewodnictwa.

Aby zwizualizować krzywe, badacze wykorzystali światło laserowe, które celowo wybija elektrony z materiału. Zespół naukowców opracował teoretyczne i numeryczne modele, które wyjaśniają ten efekt. Okazuje się, że jest on wynikiem oddziaływań magnetycznych między elektronami różnych atomów.

Teoria nadprzewodnictwa nie jest nowa — już w 1972 roku przyznano Nagrodę Nobla za tzw. teorię BCS, która matematycznie opisuje nadprzewodnictwo w metalach. Jednak teoria ta nie jest wystarczająca do wyjaśnienia działania materiałów, które pozwalają na nadprzewodnictwo w stosunkowo wysokich temperaturach (choć wciąż niskich w porównaniu do temperatury pokojowej). Takimi materiałami są miedziany, które są obecnie jednymi z najczęściej badanych nadprzewodników.

“W tych materiałach napotykamy na całą serię niewyjaśnionych zjawisk, które są często ze sobą powiązane” – mówi Alessandro Toschi, jeden z koordynatorów projektu badawczego. Jednym z takich zjawisk są właśnie łuki Fermiego. Dodając do nadprzewodnika dodatkowe elektrony, naukowcy mogli zmierzyć, jak poruszają się one w materiale — lub, z perspektywy fizyki kwantowej, jakie stany kwantowe mogą przyjmować.

Podczas pomiarów naukowcy natrafili na “niespodziankę”. Elektrony mogą poruszać się tylko w pewnych kierunkach, a dozwolone stany kwantowe leżą na krzywej (łuku Fermiego), która nagle kończy się w pewnych punktach — jest to nietypowe zachowanie, którego nie da się wyjaśnić za pomocą konwencjonalnych modeli teoretycznych.

Badaczom z Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu — Paulowi Wormowi, Matthiasowi Reitnerowi, Karstenowi Heldowi i Alessandro Toschiemu — udało się jednak teoretycznie wyjaśnić to zaskakujące zachowanie. Opracowali oni symulacje komputerowe oraz model analityczny, który opisuje to zjawisko za pomocą prostej formuły. 

Klucz do zrozumienia zachowania elektronów leży w oddziaływaniu antyferromagnetycznym. Antyferromagnetyzm oznacza, że kierunek magnetyczny atomu jest ustawiony w przeciwnym kierunku do atomu sąsiedniego.

“W modelowanych przez nas miedzianach oddziaływanie antyferromagnetyczne ma bardzo daleki zasięg” — mówi Reitner. Momenty magnetyczne elektronów na różnych atomach ustawiają się więc na długich dystansach w sposób przypominający szachownicę. Zespół badawczy wykazał, że to właśnie ten magnetyczny wzorzec prowadzi do dziwnego, zależnego od kierunku zachowania elektronów.

Jak podsumował badanie Paul Worm – “po raz pie … czytaj dalej