Tahmeat elektronit: Kun repulsio muuttuu vetovoimaksi

TU Wienin fyysikot ovat vuosien ajan tutkineet outoja ilmiöitä - nyt he ovat löytäneet selityksen, joka voisi auttaa ymmärtämään epätavanomaisia suprajohtavuuksia

Materiaaleilla voi olla täysin erilaiset ominaisuudet - lämpötilasta, paineesta, sähköjännitteestä tai muista fyysisistä olemuksista riippuen. Teoreettisessa fysiikassa näiden ominaisuuksien ymmärtämiseen käytetään huipputeknisiä tietokonemalleja mutta joskus niidenkin tulokset näyttävät hämmentäviltä - kuten korkean lämpötilan suprajohtavuuteen liittyvät ilmiöt.

Muutama vuosi sitten TU Wienin tutkijat pystyivät jo selvittämään matemaattisesti, missä on raja tunnettuja sääntöjä noudattavan alueen ja epätavallisien vaikutuksien alueen välillä.

Nyt supertietokonelaskelmien avulla on ollut mahdollista ensimmäistä kertaa selittää tarkalleen, mitä tapahtuu, kun tämä raja ylitetään: Elektronien välistä hylkimistä vastaan tulee yhtäkkiä kasvava niitä toisiinsa houkutteleva voima, mikä mahdollistaa täysin vastaintuitiiviset vaikutukset.

Samoin kuin vesimolekyylit yhdistyvät pisaroiden muodostamiseksi, elektronit voivat sitten tulla yhteen tietyissä kohdissa ikään kuin ne osittain tarttuisivat toisiinsa. Tulokset, jotka saatiin TU Wienin, Würzburgin yliopiston, L'Aquilan yliopiston ja Georgetownin yliopiston Washington DC:stä välillä, on nyt julkaistu Physical Review Letters -lehdessä.

"Negatiivisesti varautuneet elektronit hylkivät toisiaan. Siksi materiaaleissa liikkuvat elektronit siroavat muiden elektronien vaikutuksesta", sanoo professori Alessandro Toschi. "Tämä sironta ei kuitenkaan aina ole yhtä voimakasta.

Aivan rajalla, jolla epätavalliset vaikutukset alkavat näkyä, sirontaprosessit elektronien välillä vahvistuvat teoreettisesti äärettömän voimakkaiksi ja tällöin esiintyvät ilmiöt aiheuttivat suuren haasteen tutkimukselle.

"Pystyimme vastaamaan tähän haasteeseen: Nämä ilmiöt eivät ole vain matemaattista uteliaisuutta, vaan avain tärkeiden aineellisten vaikutusten ymmärtämiseen paremmin", kertoo Matthias Reitner, joka kirjoitti aiheesta diplomityönsä.

Jos lähestyt aiheen matemaattista rajaa, repulsio tulee yhä voimakkaammaksi. Rajalla sironta elektronien välillä tulee äärettömän suureksi, mutta jos ylität rajan, tapahtuu jotain yllättävää: Repulsio aiheuttaakin yhtäkkiä lisää vetovoimaa. Tämä tehokas vetovoima pakottaa elektronit kerääntymään tiettyihin pisteisiin suljetussa tilassa, ikään kuin ne olisivat osittain kiinni toisissaan.

"Tuloksena on tilanne, joka muistuttaa nestemäistä vettä ja vesihöyryä", Alessandro Toschi sanoo, "tietyissä olosuhteissa vesimolekyylien välillä on vetovoima. Niiden sitoutuessa yhteen ne muodostavat nestepisaroiden ja kaasumaisen höyryn seoksen."

Ensimmäistä kertaa on nyt mahdollista saada yksityiskohtainen kuva tällaisista tilanteista materiaalitieteen näkökulmasta mikroskooppisella tasolla. "Tämä tarkoittaa, että nyt on mahdollista ymmärtää tarkalleen, miksi tietyt matemaattiset lähestymistavat eivät tuottaneet oikeaa tulosta", väitöskirjatutkija Patrick Chalupa sanoo.

Tämä uusi mikroskooppinen oivallus voi olla puuttuva palapeli ns. epätavanomaisten suprajohteiden teoreettisen ymmärtämisen kannalta. "Ehkä voimme lopulta vastata joihinkin olennaisiin kysymyksiin, jotka ovat jääneet vastaamatta näiden salaperäisten materiaalien löytämisen jälkeen 40 vuotta sitten", toivoo Matthias Reitner.

Aiheesta aiemmin: Kahdenlaisia varauksenkantajia suprajohteissa