Veijo Hänninen

Suprajohteiden mysteerit

Suprajohtavuus on osin jo käytännön tekniikkaa mutta tiedemiehille on luonnollisesti haaste selvittää miten monet sen erikoiset ilmiöt syntyvät.

Lähellä absoluuttista nollapistettä toimiva suprajohtavuus löydettiin jo vuonna 1911, mutta siltä puuttui teoreettinen selitys lähes viisi vuosikymmentä. Sellaisen muodostivat John Bardeen, Leon Cooper ja John Robert Schrieffer vuonna 1957. Heidän BCS-teorian mukaan suprajohtavuuden muodostavat Cooperin elektroniparit, jotka toistensa hylkimisen sijaan sitoutuvat toisiinsa puoleensa vetävän vuorovaikutuksen ansiosta.

Matalan lämpötilan suprajohteissa kyseisen vuorovaikutuksen välittäjänä ovat kidehilan värähtelyt eli fononit, mutta korkean lämpötilan suprajohteissa välitysmekanismi onkin paljon monimutkaisempi.

Kupraatit suprajohteina

Kupari-oksideihin perustuvat suprajohteet löydettiin ensimmäisen kerran 1986 ja nykyään ne yltävät transitiolämpötiloissa aina -140 Celsiukseen (133 K). 

Kuparin ja hapen lisäksi nämä kupriiteiksi kutsutut aineet voivat sisältää esimerkiksi yttriumia ja bariumia (YBa2Cu3O7).

Näiden korkean lämpötilojen suprajohteiden monimutkainen elektroninen rakenne on tehnyt erittäin vaikeaksi määrittää tarkasti, kuinka ne menettävät sähkövastuksensa, puhumattakaan siitä, miten muuttaa niitä, jotta siirtyminen tapahtuisi huoneenlämmössä.

Näennäisrako horjuttaa

Kupraattien siirtymisvaiheeseen liittyy niin sanottu näennäisrako (pseudogap), jonka toiminta ja merkitys olivat tutkijoillekin mysteeri lähes parikymmentä vuotta.

Kesällä 2013 saksalais-ranskalainen tutkimusryhmä kertoi kehittäneensä mallin, joka selittää miten ne muodostuvat.

Kriittinen lämpötila, jossa tämä tapahtuu, voi mallissa olla huomattavasti korkeampi kuin tavanomaisten metallisten suprajohteiden transitiolämpötila. Malli voisi siten selittää, miksi siirtymälämpötila keraamisissa suprajohteissa on niin paljon korkeampi.

Alkuvuodesta 2014 University of Waterloo, Harvardin ja Perimeter instituutti julkaisivat teorian siitä miten näennäisrako selittää siirtymävaihetta suprajohtavuudelle.

Laskelmat osoittivat, että materiaali värähtelee kahden kvanttitilan välillä näennäisraon aikana, joista yksi liittyy varaustiheysaallon vaihteluihin. Nämä jaksolliset vaihtelut sähkövarauksen jakautumisissa ovat se mikä horjuttaa suprajohtavaa tilaa kriittisen lämpötilan yläpuolella.

Vahvat magneetit paljastavat ilmiöitä

Suprajohtavuutta yritetään ymmärtää myös magneettikenttien avulla.

Los Alamos National Laboratoryn tutkijat altistivat korkean lämpötilan suprajohteita erittäin vahvoille magneettikentille ja muuttaen lämpötilaa, jossa materiaalit tulevat ideaalijohteiksi, jolloin saadaan esiin uusia ominaisuuksia.

Vahva magneettikenttä mahdollistaa normaalin metallisen tilan tutkimisen kun suprajohtavuus on tukahduttu. Kentän lähestyessä 100 Teslaa, materiaalista voidaan mitata kvanttioskillaatiota hyvin lähellä maksimia siirtymälämpötilaa ja ne antavat tutkijoille kuvan siitä, miten elektronit ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa ennen kuin ne tulevat suprajohtaviksi.

Rautapohjaiset suprajohteet

Rautapohjaiset suprajohteet ovat kuuma tutkimusaihe, osittain siksi, että ne ovat kätevämpiä kaupallisissa sovelluksissa kuin kupariin perustuvat suprajohteet, jotka ovat vaikeita valmistaa ja usein hauraita.

Rautapohjaiset suprajohteet löydettiin vuonna 2008. Niiden transitiolämpötilat ulottuvat 26 kelvinistä 55 kelviniin. (-247 C - -218 C).

Magnetismin rooli rauta-suprajohteissa

Rautapohjaisten suprajohteiden löytyminen elvytti ajatuksen, että magnetismilla olisi tärkeä rooli korkean lämpötilan suprajohtavuudessa.

Oak Ridge National Laboratoryn (ONRL) ja Vanderbilt Universityn tutkijat esittelivät vuonna 2014 näkemyksiään atomitason magneettisesta käyttäytymistä rauta-pohjaisissa. Tutkimus tuotti kokeellista näyttöä siitä, että paikalliset magneettiset vaihtelut voivat vaikuttaa rautapohjaisen suprajohteiden suorituskykyyn.

Sitä ennen ajateltiin, että magnetismi ja suprajohtavuus eivät esiinny samanaikaisesti.

Mutta todellisuudessa aihe olikin monimutkaisempi. Pitkän kantaman magnetismin läsnäolo on vahvasti tukahduttanut suprajohtavuutta mutta ORNL:n tutkimus osoitti, että paikallisten magneettisten momenttien nopeilla vaihteluilla on erilainen vaikutus.

Paikallista magnetismia on siis olemassa, mutta se myös korreloi kriittisen lämpötilan kanssa. Tutkimus tavallaan osoitti, että suuri paikallinen momentti on hyväksi suprajohtavuudelle.

Rauta ja seostukset

Brookhaven National Laboratoryn (BNL) ja Cornellin yliopiston vetämät tutkimukset vuonna 2013 rautasuprilla viittasivat puolestaan siihen, että lisäaineet muuttavat dramaattisesti sen sähköistä rakennetta.

Tutkimus osoitti, että elektronien lisäämisen ohella, seostus muuttaa dramaattisesti isäntämateriaalin atomitason sähköistä rakennetta, joten sillä on merkittäviä vaikutuksia virrankuljettajaelektronien käyttäytymiseen.

Ennen tätä, oletuksena oli, että lisäaineet yksinkertaisesti vain lisäävät elektroneja, ja että materiaalin ominaisuudet – mukaan lukien suprajohtavuuden syntyminen – johtuivat jostakin perusmateriaalin omista ominaisuuksista.

Supra ja kvanttifysiikka

Suprajohteet tunnetaan myös siitä, että ne menettävät ominaisuutensa, jos lämpötila nousee liian korkeaksi tai magneettikenttä liian vahvaksi.

MagLabissa toiminut koeryhmä toteutti kolmen vuoden aikana (2011-2014) tutkimuksen siitä, miten yhdiste lantaani, strontium, kupari ja happi (La2-xSrxCuO4) siirtyy suprajohtavasta tilasta eristävään.

Silloin kaikki vielä olettivat, että siirtyminen suprajohteesta eristeeseen olisi välitön. MagLabin tutkijat huomasivat, että magneettikentät paljastivat peräti kaksi vaihetta, jotka vielä erottuvat kolmeen erilliseen pyörreaine (vortex matter) vaiheeseen tai kvanttivirta pyörteeseen, jotka ohjaavat suprajohtavuutta.

Mutkikkaita kuvioita

Useimmat korkean lämpötilan suprajohteet sisältävät atomeja, joilla on vain yksi suorituskykyyn vaikuttava obitaali.

Mutta entä jos sekoittaisi näitä elementtejä monimutkaisempien kokoonpanojen kanssa, kysyivät Brookhaven Labin tutkijat?

Selvitellessään sekoitettuja elektronijakaumia he havaitsivat, että kiertoradan vaihtelut rautayhdisteissä aiheuttavat vahvasti kytkeytyneitä polarisaatioita, jotka voivat parantaa elektronien pariutumista.

Tutkimuksia tehtiin vertaamalla muuttamatonta, ei-suprajohtavaa materiaalia sen seostettuun suprajohtavaan materiaaliin.

Löytö toi yhteen sekä kiertoradan vaihtelun teorian että 50-vuotiaan eksitonisen teorian korkean lämpötilan suprajohtavuuteen.

Myös virtaavalla sähköllä voi olla sellainen vaikutus suprajohteiden atomihiloille, että ne hylkivät ympäröivien atomien negatiivisesti varautuneita valenssielektroneja. Sopivassa materiaalissa, tämä hylkiminen luo positiivisesti varautuneita taskuja, vetäen muita elektroneita osaksi pariutumismekanismia.

Korkean lämpötilan kupari-oksidi suprajohteet sisältävät käytännössä yhden kiertoradan joten siltä puuttuu vapaus sijoittaa tarpeeksi vahva vuorovaikutus sähkön ja hilan välille.

Mutta tutkitulla barium rauta arseenilla on monen kiertoradan elektronit, jotka vetävät ja puskevat hilaa paljon joustavammilla ja monimutkaisemmilla tavoilla. Tämä ominaisuus on lupaava, koska sähköisyys voi siirtää arseenin elektronipilveä paljon helpommin kuin hapen.

Salaisuuksia selviää

Cambridgen yliopistossa vuonna 2014 tehty läpimurto selvitti erään korkean lämpötilan suprajohtavuuden liittyvän ongelman.

Suprajohteen perusta on elektroniparit. Mutta kun elektronit ovat jo pareina, on vaikea tietää, mikä niistä teki parin. Aiemmin suprajohtavuuden alkuperää yritettiin selvittää erottamalla pari lämpötilan avulla mutta se ei johtanut ratkaiseviin tuloksiin.

Cambridgen tutkijat käyttivät erittäin voimakkaita magneettikenttiä, jolloin he pystyivät tuhoamaan suprajohtavan vaikutuksen kupraateissa. Koska kupraatit ovat hyviä suprajohteita, tarvittiin 100 teslan magneettikenttä tukahduttamaan suprajohtavia ominaisuuksia.

Kokeet ratkaisivat mysteerin joka ympäröi pariutuvien elektronitaskujen alkuperää. Aiemmin oletettiin yleisesti, että elektronitaskut sijaitsivat vahvimman suprajohtavuuden alueella.

Kokeet magneettikentillä paljastivat erikoisen aaltoilevan kierteisen taskugeometrian. Kokeen tulokset paikoittivat taskut sinne missä suprajohtavuus on heikoin ja niiden alkuperä ovat elektronien laineet, jotka tunnetaan varaustiheysaaltoina tai varausjärjestyksenä.

Jos sittenkin magnetismi?

Jo vuosia fyysikot ovat tienneet, että korkeiden lämpötilojen suprajohtavuus liittyy ensisijassa vahvaan elektronien väliseen vuorovaikutukseen. Tutkijat ovat myös tienneet, että vahva vuorovaikutus voi aiheuttaa muita sähköisiä ilmiöitä, kuten magnetismia tai varaustiheyden aaltoja, jotka ovat ristiriidassa suprajohtavuuden kanssa.

Magnetismi liittyy elektronien lokaalisuuteen, kun taas suprajohtavuus on tila, jossa elektronit ovat parina ja voivat virrata ilman resistanssia. Aiemmat kokemukset viittasivatkin siihen, että suprajohtavuus ja magnetismi eivät olisi samanaikaisia samassa tilassa.

Uusin maaliskuussa 2015 Brookhaven National Laboratoryn tutkijoiden tekemä löytö osoittaa, että hitaasti vaihteleva magnetismi ei häviä suprajohtavassa tilassa. Tulokset osoittavat vahvaa suprajohtavuuden ja magnetismin välistä yhteyttä kuparin oksideissa.

Tämä ilmiö tarjoaa todennäköisen selityksen teoreetikkojen esittämille toisiinsa liittyvien suprajohtavuuden ja antiferromagnetismin tiloille. Antiferromagnetismissa naapuriatomien spinit ovat suuntautuneet vastakkaisiin suuntiin.

Tutkimuksia röntgeneillä ja simulaattoreilla

Aiheen tutkimuksiin käytetään luonnollisesti alan parhaita laitteita. Esimerkiksi SLAC:issa aihetta tutkittiin Linac Coherent Light Source (LCLS) -laitteiston röntgen lasersäteellä. Sen avulla havaittiin, että laservalo aiheutti muutoksia kuparin ja hapen atomeissa, kutistaen ja venyttäen niiden välisiä etäisyyksiä, tavalla joka osoitti merkkejä suprajohtavuudesta muutaman triljoonasosan sekunnin ajan reilusti yli huoneenlämmössä (60 °C)

Toisaalta Rice Universityssä toiminut fyysikkoryhmä on käyttänyt ultrakylmien atomien ja lasersädehilan simulaattoria matkiakseen suprajohtavien materiaalien käyttäytymistä.

Eräs teoria selittää epäsovinnaisia suprajohtavuutta - nimeltään Hubbard malli - on helppo ilmaista matemaattisesti, mutta on mahdoton ratkaista digitaalisilla tietokoneilla.

Ricen kvanttimekaniikan säännöillä toimivan simulaattorin avulla selvisi, että Hubbard-malli pystyi tuottamaan antiferromagnetismia juuri sillä tavalla kuin malli ennustaa mutta sitä ei vielä tiedetä, voisiko malli esittää myös suprajohtavuutta.

Uusin viritys on alumiini

Helmikuussa 2015 University Southern Californian fysiikan professorin Vitaly Kresin johtama tutkimus julkaisi tutkimuksensa, jossa alumiinin "superatomit" näyttävät muodostavan Cooperin parin elektronit noin -173 Celsius-asteen (100 K) lämpötiloissa. Tavallinen alumiinimetalli muuttuu suprajohtavaksi vain lähellä 1 Kelviniä (-272 Celsiusta).

Useista atomeista muodostuvat superatomit käyttäytyvät tavallaan kuin yksi jättimäinen atomi. Elektronitkin liikkuvat kuin yhden atomin elektronipilvi.

Kresinillä oli hypoteesi, että superatomeista voisi muodostaa Cooperin pareja. Sitä testatakseen Kresin ryhmineen kokosi alumiinista superatomeja joissa oli 32 - 95 atomia ja laserin avulla tukittiin sen käyttäytymistä eri lämpötiloissa.

Hypoteesiä tukevia ilmiöitä havaittiin noin 100 Kelvinin lämpötiloissa. Superatomit, jotka muodostavat Cooperin pareja onkin täysin uusi aihe suprajohtavuuden alalla.

Topologinen eriste suprajohtaviksi

Fyysikot Yhdysvalloissa ja Taiwanissa ovat löytäneet ensimmäiset todisteet suprajohtavuudesta topologisessa vismutti-lyijyselenidi eristeessä.

Löytö on paitsi olennaisen tärkeä tiiviin aineen ja hiukkasfysiikan teorioille mutta saattaa hyödyntää rakennettaessa topologisia kubitteja "vikasietoisille" tietokoneille tulevaisuudessa.

Tavallisissa suprajohteissa johtavuuselektronit liikkuvat pitkin tiettyä suuntaa ja niiden spinien ollessa sekä ylös että alas ja kummatkin tyypit elektroneja voivat pariutua.

Topologiset eristeissä elektronit liikkuvat vain yhteen suuntaan ja niillä on vain tietyn suuntaisen spinin elektroneja vapaina pariutumiseen. Tämän vuoksi topologisen eristeen pintoja kutsutaan myös "puoli-Dirac kaasuiksi", koska vain puolet elektroneista ovat saatavilla osallistumaan nolla-resistanssiseen sähkövirtaan.

Jakautuvat elektronit

Sveitsiläisen EPFL:n vetämä tutkimus toi äskettäin esiin, että elektronit jakautuvat sähkövaraukseksi ja magneettiseksi momentiksi kaksiulotteisessa mallissa. Löytö merkitsee uutta ymmärrystä eksoottisien materiaalien löydöksissä kuten korkean lämpötilan suprajohteissa.

Elektronit voidaan nähdä pieninä magneetteina, jotka kantavat myös negatiivista sähkövarausta. Perustasolla nämä kaksi ominaisuutta ovat jakamattomia.

Kuitenkin tietyissä materiaaleissa, jossa elektronit ovat rajautuneet kvasi-näennäisesti yksiulotteiseen maailman, ne näyttävät jakautuvan magneetiksi ja sähkövaraukseksi, jotka voi liikkua vapaasti ja toisistaan riippumatta.

Nyt EPFL:n johtamat tutkijat ovat todistaneet, että tämä voi tapahtua myös näennäisesti kaksiulotteisessa magneettisessa materiaalissa.

Murto-osa partikkeleiden olemassa oloa useammassa ulottuvuudessa ehdotti PW Anderson vuonna 1987, kun hän yritti kehittää teoriaa, joka selittäisi korkean lämpötilan suprajohtavuutta. EPFL:n saavutus antaa siten tukea Andersonin esittämälle suprajohtavuuden teorialle.

Tutkittavaa riittää

Tutkimusmaailmassa on myös löydetty tilanteita joissa esiintyy yhtä aikaa sekä suprajohtavuutta että häviöllistä sähkön johtavuutta. Löytyy myös suprajohtavuustyyppi, joka selviää vahvojen magneettikenttien vaikutuksessa.

Uusin ala on molekyylirakenteisiin liittyvä suprajohtavuuden tutkimus. Äskettäin esimerkiksi Tohokou Univesityssä tutkittiin fullereeneilla toteutettua suprajohdetta.

Kaikkiaan aihe on niin mysteerinen, että jotkut tutkijat ovat esittäneet, että suprajohteen virran kuljettamiseen osallistuisi jotain muutakin kuin vain elektronit. Teoreetikot hahmottelevat mielessään uudenlaista viritystä, jota he kutsuvat epäpartikkeliksi.

Vahvasti korreloivat elektronijärjestelmät, kuten korkean lämpötilan suprajohteet, uhmaavat jopa tavallisten kvanttiteorioiden selityksiä, joten jotkut tutkijat ovat esittäneet maailmankaikkeuden selittämiseen tarkoitetun säieteorian käyttöä suprajohteisuuden selvittämiseen.

Toisaalta esimerkiksi MIT:n tutkijat ovat löytäneet ohutkalvoilla tekemissään kokeissa yleistä muotoa olevan yhtälön, joka päti noin kolmeen tusinaan erilaista suprajohteita. Tutkijoiden mukaan teoriaa sen taakse ei löydy mutta yhtälöillä olisi kyllä käyttöä teknisiin tarkoituksiin.

Huhtikuu 2015