Veijo Hänninen

Suprajohtavuutta pala kerrallaan

Suprajohtavuudelta odotetaan paljon ja se onkin tieteilijöiden syvällisen mielenkiinnon kohteena. Mullistavia löytöjä ei viime aikoina ole tehty mutta monet pienemmät yksityiskohtaiset ilmiöt vievät aihetta eteenpäin.

Huhtikuussa Ohion yliopiston tutkijat paljastavat uuden menetelmän suprajohtavuusilmiön tehostamiseksi.

Tutkijat löysivät todisteita siitä, että suprajohtavuutta voidaan hallita vaikuttamalla ympäröivään ympäristöön, mikä voi uuden tutkimuksen mukaan johtaa tehokkaampaan elektroniikkaan tulevaisuudessa.

Tutkimuksen vanhemman kirjoittajan ja professori Chun Ningin (Jeanie) Laun johtama tutkimusryhmä rakensi kierretyn kaksikerroksisen grafeenin – hiilikerrokseksi, joka on pinottu toisen päälle ja kierretty pienessä kulmassa.

Kiinnittämällä materiaalin strontiumtitanaatiksi kutsuttuun keinotekoiseen timanttiin Lau ja kollegat pystyivät näkemään ja hallitsemaan, kuinka voimakkaasti järjestelmän elektronit vuorovaikuttavat toistensa kanssa.

Elektronivuorovaikutukset, jotka säätelevät ominaisuuksia, kuten magneettisia tiloja ja kemiallista sidosta, tapahtuvat pareittain, ja säätämällä näiden parien "asetuksia" tiimi pystyi kytkemään materiaalin suprajohtavuuden päälle ja pois päältä.

”Normaalisti elektronit hylkivät toisiaan, mutta suprajohteissa ne muodostavat pareja; tämä parinmuodostus on avain suprajohteen kykyyn johtaa sähköä ilman häviötä”, Lau sanoi. ”Todisteet viittaavat siihen, että elektronit itse, riippuen niiden herkkyydestä lähiympäristölle, ovat odottamattoman tärkeitä materiaalimuutoksille.”

Tutkijat yllättyivät huomatessaan, että säätöjen lisääminen laski suprajohtavuutta. Tämä tulos eroaa perinteisistä suprajohteista, joissa elektronien välisten hylkivien voimien vaimentaminen vahvistaa pariutumista. Tämä korostaa uusien materiaalien, kuten kierretyn kaksikerroksisen grafeenin, epätavallista luonnetta sähkön onnistuneessa ohjaamisessa.

Tällainen löytö voisi auttaa tiedemiehiä kehittämään materiaaleja, jotka johtavat suprajohtavuuteen korkeammissa lämpötiloissa – jopa huoneenlämmössä.

Tulokset eivät olleet aivan odotusten mukaisia

Physical Review Letters -lehdessä huhtikuussa julkaistussa tutkimuksessa tutkijat kuvasivat uudenlaisella menetelmällä suoraan yksittäisten atomien pariutumista erityisessä kaasussa, joka oli jäähdytetty lähes absoluuttiseen nollapisteeseen. Fermi-kaasuksi kutsuttu kaasutyyppi mahdollistaa tutkijoiden korvata elektroneja atomeilla ja tutkia suprajohteiden fysiikkaa hallitusti.

Tämän menettelyn avulla tutkijat ovat ensimmäistä kertaa kuvanneet suoraan suprajohtavuuden taustalla olevan kvanttiprosessin.

Yllättäen tiedemiehet havaitsivat, että pariutumisen jälkeen atomit liikkuivat synkronoidussa tanssissa, ja niiden sijainnit riippuivat muiden parien sijainnista – ilmiö, jota 70 vuotta vanha, Nobel-palkittu suprajohtavuusteoria ei ennustanut.

"Kokeemme osoitti, että alkuperäisestä teoriasta puuttuu jotakin laadullisesti", sanoo kokeellisen tutkimuksen johtaja Tarik Yefsah Ranskan kansallisesta tieteellisestä tutkimuskeskuksesta (CNRS).

Nämäkin löydökset lisäävät tärkeän uuden yksityiskohdan tutkijoiden perusymmärrykseen suprajohtavuudesta ja voisivat auttaa etsimään huoneenlämmössä toimivia suprajohteita, modernin fysiikan pyhää Graalia, joka mahdollistaisi erittäin tehokkaiden sähköverkkojen ja elektronisten laitteiden kehittämisen.

Kuinka suprajohde rikkoi ennätyksen

Tutkijat ovat selvittäneet syyn, miksi eräs korkean paineen alainen ja korkean lämpötilan suprajohde on suorituskykyisempi kuin muut vastaavat yhdisteet.

Vetypitoiset materiaalit, jotka tunnetaan superhydrideinä, voivat olla suprajohtavia lähellä huoneenlämpötilaa – edellyttäen, että ne altistetaan yli 150 gigapascalin (GPa) paineelle.

Syksyllä Yanming Ma ja kollegat kiinalaisesta Jilinin yliopistosta kertoivat selvittäneensä, miksi yksi näistä superhydrideistä, LaSc2H24, suoriutuu paremmin kuin paras kakkonen, LaH10.

Teoreettisen analyysin kattavan uudelleentarkastelun avulla paljastamme keskeisen siirtymän LaH10 anisotrooppisesta kahden aukon suprajohtavuudesta isotrooppiseen yksiaukkoiseen suprajohtavuuteen LaSc2H24:ssa skandiumin lisäyksen yhteydessä, mikä parantaa suprajohtavaa kriittistä lämpötilaa (Tc). Tutkijat saavuttivatkin noin 25 Celsius asteen (298K) kriittisen lämpötilan 260 GPa:n paineessa.

Anisotrooppinen kuvaa ainetta tai materiaalia, jonka fysikaaliset ominaisuudet muuttuvat mittaussuunnasta riippuen. Sen vastakohta isotrooppisuus tarkoittaa ominaisuutta, että materiaalin fysikaaliset ominaisuudet ovat täysin samat riippumatta tarkastelusuunnasta. Eli materiaalin suprajohtavat ominaisuudet, kuten energiarako tai kriittinen magneettikenttä, ovat yhdenmukaiset kaikkiin suuntiin eivätkä muutu kidehilan suunnan tai käytetyn magneettikentän mukaan.

Tutkijoiden mukaan heidän tulokset osoittavat koemateriaalin skandiumin aiheuttaman rakojen yhdistymisen perusmekanismiksi huonelämpöisen suprajohtavuuden saavuttamiseksi LaSc2H24:ssa ja tarjoaa ainakin teoreettisen suunnitelman tulevien ylivoimaisten suprajohtavien hydridien suunnittelulle.

Uusi näkökulma suprajohtavuuteen

Lähes kaikissa tähän mennessä löydetyissä suprajohteissa Cooperin parit – supravirtaa kuljettavat kvasihiukkaset – muodostuvat kahden vastakkaissuuntaisten spinien elektronin pariutumisesta.

Teorian mukaan Cooperin parit voivat kuitenkin muodostua myös rinnakkaiset spinit omaavista elektroneista.

Äskettäin Guo-qing Zhengin johtama Okayaman yliopiston ryhmä Japanissa on tehnyt ensimmäisen mittauksen tällaisesta "spin-tripletti"-suprajohtavuudesta.

Spin-triplet-suprajohtavuus on paljon harvinaisempaa kuin tavanomainen spin-singletti-suprajohtavuus. Tieteilijöille ilmiö on erityisen kiinnostava, koska sellainen voi isännöidä Majorana-sidottuja tiloja, joita voidaan käyttää vikasietoisessa kvanttilaskennassa

Vihjeitä ilmiöstä on aiemmin havaittu uraania sisältävissä yhdisteissä, joiden voimakkaat magneettiset vaihtelut ylläpitävät helposti spin-triplet-suprajohtavuutta.

Zhengin tutkijat käyttivät kolme vuotta tutkimuksellisten ongelmien ratkaisemiseen, ennen kuin he pystyivät mittaamaan suprajohtavia faaseja, joilla on kolme erillistä ydin-spinen ominaisuusjoukkoa.

Kaikki kolme syntyvät spin-triplet-parien muodostumisesta, ja yksi niistä sisältää eksoottisia kvasihiukkasia, eli Majorana-tiloja, jotka voisivat toimia alustana vikasietoiselle kvanttilaskennalle.

Tyypin I suprajohde rikkoo aikakäännössymmetrian

Suprajohteet voidaan karkeasti luokitella kahteen toisistaan riippumattomaan kategoriaan: tavanomaisiin ja epätavanomaisiin (määritellään mekanismin mukaan, jolla niiden elektronit muodostavat Cooperin pareja) sekä tyypin I ja tyypin II (määritellään niiden ulkoisiin magneettikenttiin liittyvän vasteen mukaan).

Useimmat tähän mennessä löydetyt epätavanomaisen pariutumisen tapaukset ovat tyypin II suprajohteissa.

Nyt Anshu Kataria Intian tiede- ja tutkimusinstituutista Bhopalista ja hänen kollegansa ovat löytäneet todisteita epätavanomaisesta pariutumisesta tyypin I suprajohteessa. Löytö voisi tarjota uuden alustan epätavanomaisen pariutumisen tutkimiseen, joka on vapaa tyypin II suprajohteissa usein havaittavien eksoottisten ilmiöiden vaikutuksesta.

Kataria ja hänen kollegansa syntetisoivat YbSb2:n yksittäiskiteitä. Tämän materiaalin monimutkainen kiderakenne löytyy sekä perinteisistä että epätavanomaisista suprajohteista.

YbSb2:n suprajohtavassa tilassa Cooperin parit muodostuvat vyöhykkeiden välisen pariutumisen kautta epätavanomaisessa "spin-tripletti"-konfiguraatiossa, jossa elektronipareilla on rinnakkaiset spinit tavanomaisen pariutumisen vastakkaisten spinien sijaan. Tutkijat löysivät suoran todisteen aikakäännössymmetrian rikkoutumisesta, joka on epätavanomaisen elektroniparien muodostumisen tunnusmerkki.

Tulokset korostavat myös YbSb2:ta ainutlaatuisena materiaalialustana, jossa tyypin I suprajohtavuus esiintyy rinnakkain triplet-pariliitoksen ja ei niin yksiselitteisen (nontrivial) topologian kanssa.

Tutkimusryhmän jatkoanalyysit viittasivat siihen, että nämä ominaisuudet tekevät YbSb2:sta kykenevän isännöimään niin sanottuja aukottomia Majorana-pintamoodeja, ominaisuutta, jota voitaisiin jonain päivänä käyttää vikasietoisessa kvanttilaskennassa.

Lokakuu 2026