Spinkuvioita korkean lämpötilan suprajohteissa

 Jo 1980-luvulla löydetyt korkean lämpötilan suprajohtimet, eli kupraatit kumosivat teorian, että suprajohtavat materiaalit kuljettavat sähkövirtaa vain lähes absoluuttisissa lämpötiloissa.

Vuosikymmenten ajan tutkijoita on kuitenkin hämmentänyt kupraattien kyky suprajohtaa sähköä yli 100 Kelvinin lämpötiloissa (-173 Celsius).

Nyt Yhdysvaltain energiaministeriön Lawrence Berkeleyn kansallisen laboratorion tutkijat (Berkeley Lab) ovat tuoneet esiin vihjeen kupraattien epätavallisista ominaisuuksista - ja vastaus tuli odottamattomasta lähteestä: elektronin spineistä.

Berkeley Labin Alessandra Lanzaran johtama ryhmä ja UC Berkeleyn fysiikan professori Charles Kittel käyttivät erikoisilmaisinta kupraatti suprajohteen Bi-2212 (vismutti-strontium-kalsium kuparioksidi) tutkimiseen. SARPES -ilmaisin paljasti jotain, joka pisti suprajohteiden vanhat kuviot uusiksi: erillinen elektronien spinien kuvio materiaalissa.

”Huomasimme, että oli hyvin määritelty suunta, jossa kukin elektroni osoitti sen vauhtia, ominaisuutta, joka tunnetaan myös nimellä spin-momentum lukitus”, toteaa Lanzara. ”Sen löytyminen korkean lämpötilan suprajohteista oli suuri yllätys.”

Erittäin eksoottisissa materiaaleissa on olemassa kahdenlaisia elektronien vuorovaikutuksia, jotka aiheuttavat uusia ominaisuuksia näille materiaaleille, kuten suprajohteille. Kupraattisia suprajohteita tutkineet tutkijat ovat keskittyneet vain yhteen näistä vuorovaikutuksista: elektronikorrelaatioon.

Toinen eksoottisissa materiaaleissa esiintyvä elektronin vuorovaikutus on "spin-kiertorata kytkentä" - tapa, jolla elektronin magneettinen momentti vuorovaikuttaa materiaalin atomien kanssa.

Spin-kiertorata kytkentä on jätetty usein huomiotta kupraattien tutkimuksissa, koska monet olettivat, että tällainen elektroni-vuorovaikutus olisi heikko verrattuna elektronikorrelaatioon, toteavat tutkijat.

Niinpä uusi epätavallinen löytö vaati vielä lisätutkimuksia Berkeley Labin synkrotronin (Advanced Light Source, ALS) avulla. Lopulta työ paljasti, että Bi-2212:n erillinen spin-kuvio - nimeltään "nonzero spin - oli todellinen tulos.

”Korkean lämpötilan suprajohteiden parissa on edelleen monia ratkaisemattomia kysymyksiä”, toteaa Chiu-Yun Lin. ”Työmme luo uutta tietoa, jotta ymmärrämme paremmin kupraattisia suprajohteita, mikä voi olla rakentava tekijä näiden kysymysten ratkaisemiseksi.”

Ymmärtää, mikä saa eräät eksoottisista kupraattisuprajohteista, kuten Bi-2212:n toimimaan jopa 133 Kelvinin lämpötilassa (noin -140 astetta Celsiusta), voisi aikanaan helpottaa käytännön laitteiden toteuttamista.

Aiheesta aiemmin:

Uusia ulottuvuuksia suprajohteille

Kupraattien suprajohtavuus askarruttaa

Mikä kuljettaa suprajohteiden virtaa ?