Veijo Hänninen

Suprajohtavien tutkimusten satoa

Suprailmiöiden tutkimuksen tavoitteet ovat aiemmin liittyneet varsinaiseen sähkötekniikkaan liittyen mutta nykyään painopiste vaikuttaa olevan kvanttielektroniikan parissa.

Korkean lämpötilan suprajohtavuutta on metsästetty jo vuosikymmeniä kupraattien aikanaan lyödessä tutkijat ällikällä. Sen syntymismekanismia on sitten metsästetty siitä asti. Tutkijat ovat päätelleet muun muassa, että salaisuus liittyy joihinkin eksoottisiin varauksenkantajiin.

Kesällä esitellyssä tutkimusjulkaisussa Amsterdamin, Radboudin ja Bristolin yliopistojen tutkijaryhmän johtopäätös oli että kupraattien suprajohtava tila koostuu itse asiassa eksoottisista kantajista, jotka kokevat maksimaalisen haihtumisen metallisessa tilassa.

Tämä on kaukana alkuperäisestä suprajohtavuuden teoriasta ja ehdottaa, että tarvitaan aivan uusi paradigma, jossa outo metalli on keskipisteessä esittävät tutkijat.

Korkean lämpötilan suprajohtavuus

Useimmat suprajohteet muuttuvat yli kriittisen lämpötilan lämmetessään tavallisiksi metalleiksi. Mutta kupraateilla onkin hyvin erityiset mitattavat ominaisuudet niiden metallisessa faasissa.

Professori Hussey sanoin: "Ottaen huomioon aikaisemmat Hall-ilmiön mittaukset, meillä oli pakottavia todisteita kahdesta erillisestä kantajatyypistä kupraateissa - yksi tavanomainen ja toinen "outo". Keskeinen kysymys oli sitten, mikä tyyppi oli vastuussa korkean lämpötilan suprajohtavuudesta?

Tutkijatiimi vertaili sitten tavanomaisten kantajien tiheyden kehitystä normaalitilassa ja paritiheyttä suprajohtavassa tilassa ja pääsi kiehtovaan johtopäätökseen; että kupraattien suprajohtava tila koostuu itse asiassa eksoottisista kantajista, joille tapahtuu niin suuri haihtuminen metallisessa tilassa.

Tämä on kaukana alkuperäisestä suprajohtavuuden teoriasta ja ehdottaa, että tarvitaan aivan uusi paradigma, jossa outo metallisuus on keskipisteessä esittävät tutkijat.

Oudot lomittuvat

Chalmersin teknillisen yliopiston tutkijat kansainvälisine kollegoineen ovat paljastaneet tässä suprajohteiden "oudon metallisessa" tilassa hämmästyttävän uudenlaisen käyttäytymisen.

Oudon omituisuus piilee resistiivisyyden lineaarisessa kasvussa lämpötilan myötä, mikä ei yleensä tapahdu normaaleille metalleille. Tämä tutkimus osoittaa, että normaalitilassa varaustiheysaaltojen läsnäolo muuttaa kupraattien "outo metalli" -tyyppistä käyttäytymistä ja saa sen muistuttamaan normaaleja metalleja.

"Tällainen yksinkertainen käyttäytyminen vaatii yksinkertaista selitystä, joka perustuu voimakkaaseen periaatteeseen ja tämän tyyppisille kvanttimateriaaleille periaatteen uskotaan olevan kvanttilomittuminen," toteaa, Chalmersin fysiikan laitoksen subatomisen, korkean energian ja plasmafysiikan osaston professori Ulf Gran.

Oudon metallitilan vastakkaisten ominaisuuksien selittämiseksi kaikkien hiukkasten on lomittauduttava toisiinsa, mikä johtaa elektronien keittoon, jossa yksittäisiä hiukkasia ei voida erottaa ja joka muodostaa radikaalisti uudenlaisen aineen muodon.

Tutkimuksen tärkein havainto on, että kirjoittajat löysivät sen mikä tappaa ja palauttaa oudon metallitilan yttriumbariumkuparioksidin rasitustesteillä.

”Tämäntyyppinen havainto on erittäin tärkeä, koska se osoittaa vihdoin korrelaation makroskooppisten ominaisuuksien (resistiivisyys normaalitilassa, suprajohtavuus) ja mikroskooppisten ominaisuuksien (varaustiheysaallot) välillä. Tämä saattaa olla avain teoreetikkojen pitkään etsimään ongelmaan, varma perusta, jolle lopultakin voidaan rakentaa selitys suprajohtavien kupraattien hyvin alkuperäiselle käyttäytymiselle,” selittää Milanon kokeellisen fysiikan professori Giacomo Ghiringhelli.

Suprajohtavuuden taikaa kierretyissä grafeeneissa

Vuonna 2018 MIT:n tutkijat löysivät suprajohtavuutta kahden grafeenin kerroksessa, jotka oli pinottu 1,1 asteen kulmaan toisiinsa nähden. Hieman myöhemmin Columbia tutkijat saivat aikaan saman ilmiön kierretyillä grafeeneilla ja suuren paineen avulla.

Grafeenin ja muiden materiaalien moire-ilmiöt ovat olleet kovan kiinnostuksen kohteena erityisesti kvanttielektroniikkaan liittyen

MIT:n fyysikot ovat nyt havainneet merkkejä harvinaisesta suprajohtavuudesta kolmikerroksisen taikakulma grafeenin avulla. He raportoivat, että materiaali osoittaa suprajohtavuutta yllättävän korkeissa magneettikentissä.

Tulokset viittaavat vahvasti siihen, että kolmikerroksinen maaginen grafeeni on erittäin harvinainen suprajohteen tyyppi, joka tunnetaan nimellä "spin-tripletti", joka kestää suuria magneettikenttiä.

Suurimmassa osassa suprajohtimia Cooperin parien elektroneilla on vastakkaiset spinit ja tämä konfiguraatio tunnetaan "spin-singlettinä". Tämä paritus kuitenkin rikkoutuu vahvojen magneettikenttien alla. Eksoottisemmat suprajohtimet, jotka sietävät vahvojakin magneettikenttiä tunnetaan puolestaan "spin-tripletteinä".

Kun tutkijat tekivät kolmikerroksisen grafeenin testejä ja käyttivät vaatimatonta magneettikenttää, he huomasivat, että kolmikerrosrakenne pystyi suprajohtamaan sellaisilla kentänvoimakkuuksilla, jotka tuhosivat kaksikerroksisen grafeenin suprajohtavuuden. Mutta kun siirryttiin yhä korkeampiin magneettikenttiin, havaittiin, että suprajohtavuus pysyi vahvana tiettyyn pisteeseen asti, ennen kuin se katosi, mutta ilmaantui sitten uudelleen vieläkin korkeammilla kentänvoimakkuuksilla. Tällaista ei tiedetä tapahtuvan tavanomaisissa spin-singlet-suprajohteissa.

Eli kyseessä on todennäköisesti hyvin harvinainen tyyppi, mahdollisesti spin-tripletti, joka isännöi Cooper-pareja, joita eivät suuretkaan magneettikentät hetkauta.

Tiimi aikoo jatkossa tutkia materiaalia varmistaakseen sen tarkan spintilan, mikä voisi auttaa esimerkiksi suunnittelemaan tehokkaampia MRI-laitteita ja myös kestävämpiä kvanttitietokoneita.

Noin 20 vuotta sitten teoreetikot ehdottivat jonkinlaista topologista suprajohtavuutta, joka, jos se toteutetaan missä tahansa materiaalissa, voisi mahdollistaa kvanttitietokoneen, jossa laskennasta vastaavat tilat ovat erittäin kestäviä. Keskeinen ainesosa sen ymmärtämiseksi olisi tietyn tyyppiset spin-tripletti suprajohteet mutta tutkijat eivät vielä osaa sanoa onko heidän tyyppinsä sitä lajia.

Uusi teoria ja monenlaisia koetuloksia

Suprajohteita ja ilmiöitä on tutkittu monelta kantilta ja tavoilla ja tuloksetkin ovat kirjavia mutta johtanevat kohti tavoitetta vähän kerrallaan.

Brookhavenin kansallisen laboratorion tutkijoilla on nyt lopullisia todisteita aineen tilan olemassaolosta, joka tunnetaan nimellä paritiheysaalto, jonka teoreetikot ennustivat jo 50 vuotta sitten. Tulokset osoittavat, että tämä vaihe esiintyy yhdessä suprajohtavuuden kanssa vismuttipohjaisessa kuparioksidisuprajohteessa.

Kaksi vuotta sitten löydettiin uusi lupaavien suprajohteiden luokka: kerrosnikkelaatit. TU Wienin tutkimusryhmä on nyt ensimmäistä kertaa onnistunut määrittämään näiden uusien suprajohteiden tärkeät parametrit vertaamalla teoriaa ja koetta. Tämä tarkoittaa, että nyt on ensimmäistä kertaa saatavilla teoreettinen malli, jonka avulla voidaan ymmärtää näiden materiaalien korkean lämpötilan suprajohtavuuden elektronisia mekanismeja.

Tsukuban yliopiston tutkijat esittivät puolestaan muotoilleensa uuden korkean lämpötilan suprajohtavuuden teorian. Siinä käytetään matemaattista työkalua (Berry connection), jolla tehdyn laskennan perusteella malli auttaa selittämään uudet kokeelliset tulokset paremmin kuin nykyinen teoria.

"Uudessa teoriassa elektroniparien roolina on Berry-yhteyden vakauttaminen sen sijaan, että se itsessään johtaisi suprajohtavuuteen ja supravirta on yksittäisten ja parillisten elektronien virta, joka syntyy, kun tila jossa elektronit kulkevat kiertyy Berry-yhteyden vaikutuksesta", toteaa professori Hiroyasu Koizumi.

Tähän asti vain elektronipareilla tiedetään olevan rooli suprajohtavuudessa. Dresdenin teknillisen yliopiston professori Hans-Henning Klaussin johtaman tutkimusryhmä on tehnyt löydön, joka osoittanut täysin uudenlaisen aineen tilan metallissa. Se syntyy neljän elektronin yhdistelmällä. Löytö liittyy rautapohjaisiin materiaaleihin ja se voi johtaa uudentyyppiseen suprajohtavuuteen, täysin uuteen tutkimussuuntaan ja vallankumouksellisiin teknologioihin, kuten kvanttiantureihin.

Tietyt ennusteet osoittavat, että kvanttikoherenssin käyttöönotto kvanttilämpökoneissa voi merkittävästi vähentää kitkaa näissä järjestelmissä. Japanilaiset tutkijat ovat tarkastelleet, kuinka kvanttikoherenssi vaikuttaa "kitkaa" vähentävästi nanomittakaavan kvanttilämpökoneessa.

Elektronit käyttäytyvät kuin tsunami

Tsunami voi jakautua haarautuneisiin aaltoihin, jotka ovat riittävän voimakkaita iskemään tuhoisalla voimalla tuhansien kilometrien päässä.

Tampereen yliopiston, Rey Juan Carlosin ja Harvardin yliopiston fyysikkojen ryhmä on löytänyt vastaavan haarautuneen virtauksen kaksiulotteisista elektronirakenteista kuten grafeenista. Heidän löytö voisi tuoda uutta valoa suprajohtavuuden syntymiseen.

”Tähän mennessä kaoottista haaravirtausta ei ole ajateltu esiintyvän säännönmukaisessa rakenteessa kuten kiinteässä aineessa, jossa atomit ovat järjestäytyneet säännölliseen hilaan”, kertoo professori Esa Räsänen.

Tutkimuksessa havaittuja elektronivirtoja voidaan manipuloida muodostamalla ns. supralankoja, joissa elektronit etenevät koko hilarakenteen läpi haluttuun suuntaan. Vaikka tätä ilmiötä ei ole vielä kokeellisesti vahvistettu, se voi auttaa esimerkiksi selittämään, miksi kaksikerroksisen grafeenin havaittiin osoittavan suprajohtavuutta vuonna 2018.

"Haarautuneen elektronivirran löytäminen voi avata uraauurtavia sovelluksia kilpailussa löytää uusia suprajohteita kaksiulotteisten materiaalien, kuten grafeenin ja sen monien johdannaisten joukosta", Räsänen sanoo.

Entistä herkemmät squidit

Bathin yliopiston fysiikan laitoksen tiimi teki löydön tutkiessaan suprajohtavan niobium-dislenidin (NbSe₂) kahden kerroksen välistä liitosta, kun nämä kerrokset oli kierretty noin 30 astetta toisiinsa nähden.

Näin he pystyivät rakentamaan suprajohtavan kvantti-interferometrin (SQUID), jossa on mahdollista moduloida supravirtaa pienellä magneettikentällä ja näin luoden erittäin herkän magneettikenttien anturin.

Bathin yliopiston fyysikot ovat yhdessä yhdysvaltalaisten tutkijoiden kanssa paljastaneet uuden mekanismin, jonka avulla magnetismi ja suprajohtavuus voivat esiintyä rinnakkain samassa materiaalissa.

Tähän asti tutkijat saattoivat vain arvata, kuinka tämä epätavallinen rinnakkaiselo voisi olla mahdollista. Löytö voi johtaa sovelluksiin vihreässä energiateknologiassa ja suprajohtavien laitteiden, kuten seuraavan sukupolven tietokonelaitteistojen, kehittämiseen.

Bathin tutkijat havainnoivat, että rautapohjaisella suprajohteella RbEuFe4As4, joka on suprajohtavaa alle -236 °C, on sekä suprajohtavuutta että magneettisuutta alle -258 °C.

Kohti kvanttielektroniikkaa

Kvanttitietokonetta kehitettäessä yhtenä perimmäisenä tavoitteena on tutkia topologisia suprajohteita, joista löytyisi Majorana-tiloja, jotka mahdollistaisivat käyttökelpoiset kubitit.

Tutkijat tavoittelevat myös vähemmän kunnianhimoisia kvanttielektronisia tuloksia. Esimerkiksi Minnesotan ja Harvardin tutkijat ovat äskettäin tehneet tutkimuksen kierretyn kolmikerroksisen grafeenin ominaisuuksista. Heidän tutkimuksensa tarjoavat todisteita korreloivista eristystiloista ja suprajohtavuuden kuljetussignaalista materiaalissa.

"Esiin tuomamme materiaali voisi olla lupaava atomisesti puhdas suprajohde, joka voidaan virittää sähköstaattisesti erittäin pienellä kantajatiheyden muutoksella, mikä on toivottavaa tulevaisuuden kvanttielektroniikkalaitteille", tutkija Ke Wang kommentoi.

Baselin yliopiston tutkijat ovat puolestaan ensimmäistä kertaa varustaneet ultraohuen puolijohteen suprajohtavilla kontakteilla. Nämä erittäin ohuet materiaalit, joilla on uusia elektronisia ja optisia ominaisuuksia, voisivat tasoittaa tietä aiemmin kuvittelemattomille sovelluksille. Yhdessä suprajohteiden kanssa niiden odotetaan synnyttävän uusia kvantti-ilmiöitä ja löytävän käyttöä kvanttiteknologioissa.

Marraskuu 2021