Ένα βήμα πιο κοντά στην εξήγηση της υπεραγωγιμότητας υψηλής θερμοκρασίας;

Για χρόνια, ορισμένοι φυσικοί ήλπιζαν να σπάσουν το μυστήριο της υπεραγωγιμότητας υψηλής θερμοκρασίας - την ικανότητα ορισμένων πολύπλοκων υλικών να μεταφέρουν ηλεκτρική ενέργεια χωρίς αντίσταση σε θερμοκρασίες υψηλές πάνω από το απόλυτο μηδέν - προσομοιώνοντας κρυστάλλους με μοτίβα φωτός λέιζερ και μεμονωμένα άτομα. Τώρα, μια ομάδα έχει κάνει —σχεδόν—το επόμενο έως το τελευταίο βήμα σε μια τέτοια προσομοίωση «οπτικού πλέγματος», αναπαράγοντας το μοτίβο του μαγνητισμού που παρατηρείται σε υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας από τους οποίους αναδύεται η ροή ηλεκτρισμού χωρίς αντίσταση.

«Είναι μια πολύ μεγάλη βελτίωση σε σχέση με τα προηγούμενα αποτελέσματα», λέει ο Tilman Esslinger, πειραματιστής στο Ελβετικό Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας στη Ζυρίχη, ο οποίος δεν συμμετείχε στην εργασία. "Είναι πολύ συναρπαστικό να βλέπεις σταθερή πρόοδο."

Μια προσομοίωση οπτικού πλέγματος είναι ουσιαστικά ένας κρύσταλλος φτιαγμένος από φως. Ένας πραγματικός κρύσταλλος περιέχει ένα επαναλαμβανόμενο τρισδιάστατο σχέδιο ιόντων και τα ηλεκτρόνια ρέουν από ιόν σε ιόν. Στην προσομοίωση, κηλίδες φωτός λέιζερ αντικαθιστούν τα ιόντα και υπερψυχρά άτομα που κινούνται μεταξύ κηλίδων αντικαθιστούν τα ηλεκτρόνια. Οι φυσικοί μπορούν να προσαρμόσουν το σχέδιο των κηλίδων, πόσο έντονα οι κηλίδες προσελκύουν τα άτομα και πόσο ισχυρά απωθούν τα άτομα το ένα το άλλο. Αυτό καθιστά τα πειράματα ιδανικά για την ανίχνευση της φυσικής, όπως η υπεραγωγιμότητα υψηλής θερμοκρασίας, στην οποία υλικά όπως ο υδράργυρος βάριο ασβέστιο οξείδιο χαλκού μεταφέρουν ηλεκτρική ενέργεια χωρίς αντίσταση σε θερμοκρασίες έως 138 Κ, πολύ υψηλότερες από το απόλυτο μηδέν από τους συνηθισμένους υπεραγωγούς όπως το νιόβιο. /P>

Το πώς λειτουργούν οι υπεραγωγοί χαλκού και οξυγόνου, ή χαλκού, παραμένει ασαφές. Τα υλικά περιέχουν επίπεδα χαλκού και ιόντων οξυγόνου με τους χαλκούς διατεταγμένους σε τετράγωνο σχέδιο. Απωθώντας το ένα το άλλο, τα ηλεκτρόνια κολλάνε σε μια κυκλοφοριακή συμφόρηση ένα προς ένα χαλκό που ονομάζεται κατάσταση μονωτή Mott. Περιστρέφονται επίσης σαν κορυφές και σε χαμηλές θερμοκρασίες γειτονικά ηλεκτρόνια περιστρέφονται προς αντίθετες κατευθύνσεις, δημιουργώντας ένα μοτίβο μαγνητισμού πάνω-κάτω-πάνω-κάτω που ονομάζεται αντισιδηρομαγνητισμός. Η υπεραγωγιμότητα εμφανίζεται όταν οι ακαθαρσίες απορροφούν μερικά ηλεκτρόνια και μειώνουν την κυκλοφοριακή συμφόρηση. Τα υπόλοιπα ηλεκτρόνια στη συνέχεια ζευγαρώνουν για να γλιστρήσουν ελεύθερα κατά μήκος των επιπέδων.

Οι θεωρητικοί δεν συμφωνούν ακόμη πώς συμβαίνει αυτή η σύζευξη. Μερικοί πιστεύουν ότι οι κυματισμοί στο αντισιδηρομαγνητικό μοτίβο λειτουργούν ως κόλλα για να προσελκύσουν το ένα ηλεκτρόνιο στο άλλο. Άλλοι υποστηρίζουν ότι η σύζευξη προκύπτει, παραδόξως, από την απώθηση μεταξύ των ηλεκτρονίων και μόνο. Οι θεωρητικοί μπορούν να γράψουν ένα μαθηματικό μοντέλο ηλεκτρονίων σε ένα επίπεδο σκακιέρας, γνωστό ως μοντέλο Fermi-Hubbard, αλλά είναι τόσο δύσκολο να «λυθεί» που κανείς δεν μπόρεσε να δείξει εάν παράγει υπεραγωγιμότητα.

Οι πειραματιστές ελπίζουν να αναπαραγάγουν το μοντέλο Fermi-Hubbard σε φως λέιζερ και ψυχρά άτομα για να δουν αν αποδίδει υπεραγωγιμότητα. Το 2002, ο Immanuel Bloch, ένας φυσικός στο Max Planck Institute for Quantum Optics (MPQ) στο Garching της Γερμανίας, και οι συνεργάτες του συνειδητοποίησαν μια κατάσταση μονωτή Mott σε ένα οπτικό πλέγμα. Έξι χρόνια αργότερα, ο Esslinger και οι συνεργάτες του πέτυχαν την κατάσταση Mott με άτομα με τη σωστή ποσότητα σπιν για να μιμηθούν τα ηλεκτρόνια. Τώρα, ο Randall Hulet, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο Rice στο Χιούστον του Τέξας, και οι συνεργάτες του έχουν σχεδόν επιτύχει το επόμενο έως το τελευταίο βήμα στην πορεία:τον αντισιδηρομαγνητισμό.

Ο Hulet και οι συνεργάτες του παγίδευσαν μεταξύ 100.000 και 250.000 άτομα λιθίου-6 στο φως λέιζερ. Στη συνέχεια ανέβασαν το οπτικό πλέγμα και το ανέβασαν ξανά προς τα κάτω για να τα βάλουν σε τάξη. Λαμβάνοντας φως λέιζερ συγκεκριμένου μήκους κύματος στα άτομα, παρατήρησαν στοιχεία ενός αναδυόμενου μοτίβου περιστροφής πάνω-κάτω-πάνω-κάτω. Το φως του λέιζερ ανακατευθύνθηκε, ή διαθλάστηκε, σε μια συγκεκριμένη γωνία από τις σειρές των ατόμων - ακριβώς όπως οι ακτίνες Χ διαθλούν τα ιόντα σε έναν πραγματικό κρύσταλλο. Το κρίσιμο είναι ότι το φως ανίχνευσε το σπιν των ατόμων:Το φωτεινό κύμα αναπήδησε εάν αναπηδούσε από ένα άτομο που περιστρέφεται προς τη μία κατεύθυνση αλλά όχι προς την άλλη. Χωρίς αυτή την ανατροπή, η περίθλαση δεν θα είχε συμβεί, επομένως η παρατήρηση επιβεβαιώνει την εμφάνιση του μοτίβου πάνω-κάτω-πάνω-κάτω, λέει ο Hulet.

Η ομάδα του Hulet έλυσε ένα πρόβλημα που έχει ταλαιπωρήσει άλλες προσπάθειες. Συνήθως, η ενεργοποίηση του οπτικού πλέγματος θερμαίνει τα άτομα. Για να αποφευχθεί αυτό, οι ερευνητές πρόσθεσαν ένα άλλο λέιζερ που απωθούσε ελαφρώς τα άτομα, έτσι ώστε τα πιο ενεργητικά να συγκρατούνται μόλις μετά βίας από την παγίδα. Στη συνέχεια, καθώς τα άτομα θερμαίνονται, τα πιο ενεργητικά «εξατμίζονται» σαν ατμός από ζεστή σούπα για να διατηρούν τα άλλα δροσερά, αναφέρουν οι ερευνητές διαδικτυακά αυτή την εβδομάδα στο Nature . Δεν έφτασαν σε ένα πλήρως σταθερό αντισιδηρομαγνητικό σχέδιο:Η θερμοκρασία ήταν 40% πολύ υψηλή. Αλλά η τεχνική μπορεί να φτάσει εκεί και παραπέρα, λέει ο Hulet. «Δεν έχουμε καλή αίσθηση για το όριο αυτής της μεθόδου», λέει. "Θα μπορούσαμε να πάρουμε έναν συντελεστή δύο χαμηλότερα, θα μπορούσαμε να πάρουμε έναν συντελεστή 10 χαμηλότερο."

«Είναι πράγματι πολλά υποσχόμενο», λέει ο Tin-Lun "Jason" Ho, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο του Οχάιο στο Κολόμπους. Η μείωση της θερμοκρασίας κατά δύο ή τρεις μπορεί να είναι αρκετή για να φτάσει στην υπεραγώγιμη κατάσταση, λέει. Ωστόσο, ο Bloch της MPQ προειδοποιεί ότι μπορεί να χρειαστούν ακόμα άλλες τεχνικές για να κρυώσετε. "Υπάρχουν πολλές τεχνικές ψύξης που αναπτύσσουν οι άνθρωποι και έρχονται ενδιαφέροντα πειράματα", λέει.

Οι φυσικοί διερευνούν επίσης άλλα συστήματα και προβλήματα με οπτικά πλέγματα. Η προσέγγιση εξακολουθεί να κερδίζει ατμό, λέει ο Hulet:"Είναι μια συναρπαστική στιγμή."