Suprajohdetutkijat löysivät epätavallisia elektronipareja

Viimeisen vuosisadan ajan suprajohteiden löytämisen jälkeen niiden salaperäiset atomiominaisuudet ovat saaneet tutkijat ymmälleen.

Tutkijat ovat tehneet kovasti töitä etsiessään suprajohtavia materiaaleja, jotka voisivat toimia korkeammissa lämpötiloissa – ehkä jopa huoneenlämmössä joskus.

Nyt tutkijat ovat havainneet, että suprajohteen välttämätön ominaisuus - elektronien pariutuminen - esiintyy paljon korkeammissa lämpötiloissa kuin aiemmin on ajateltu ja materiaalissa, jossa sitä vähiten odottaa - antiferromagneettisessa eristeessä.

Vaikka materiaalilla ei ollut nollaresistanssia, tämä havainto viittaa siihen, että tutkijat voisivat löytää tapoja suunnitella vastaavia materiaaleja suprajohteiksi, jotka toimivat korkeammissa lämpötiloissa.

SLAC National Accelerator Laboratoryn, Stanfordin yliopiston ja muiden laitosten yhteisen tutkimusryhmä esitti saavutuksensa Science -lehdessä.

"Elektroniparit kertovat meille, että ne ovat valmiita suprajohtaviksi, mutta jokin estää niitä", sanoo Stanfordin jatko-opiskelija Ke-Jun Xu. "Jos löydämme uuden menetelmän parien synkronoimiseksi, voisimme soveltaa sitä mahdollisesti korkeamman lämpötilan suprajohtimien kehittämiseen."

Nykyään tiedetään, että materiaalin suprajohtuminen edellyttää elektronien pariutumista ja näiden parien on oltava koherentteja eli niiden liikkeiden on oltava synkronoituja. Jos elektronit ovat parillisia, mutta epäkoherentteja, materiaali saattaa päätyä eristeeksi.

Pian sen jälkeen, kun suprajohteet löydettiin ensimmäisen kerran, tutkijat havaitsivat, että asia, joka sai elektronit pariksi, oli itse alla olevan materiaalin värähtely. Tällainen elektronien pariutuminen tapahtuu materiaaleissa, jotka tunnetaan tavanomaisina suprajohteina ja jotka ymmärretään hyvin, sanoi Zhi-Xun Shen, Stanfordin professori joka ohjasi tutkimusta.

Perinteiset suprajohteet toimivat lämpötiloissa, jotka ovat tyypillisesti lähellä absoluuttista nollaa, alle 25 Kelviniä ja ympäristön paineessa. Epätavanomaiset suprajohteet – kuten kuparioksidimateriaali tai tämän tutkimuksen kupraatti – toimivat huomattavasti korkeammissa lämpötiloissa, joskus jopa 130 Kelvinissä.

Tiedepiireissä uskotaan laajalti, että kupraateissa hilavärähtelyjen lisäksi jokin auttaa yhdistämään elektroneja. Vaikka tutkijat eivät ole varmoja tarkalleen, mikä sen takana on, johtava ehdokas on vaihtelevat elektronien spinit, jotka saavat elektronit pariutumaan ja tanssimaan suuremmalla kulmamomentilla.

Tämä ilmiö tunnetaan aaltokanavana – ja varhaisiamerkkejä tällaisesta uudesta tilasta nähtiin SSRL:n kokeessa noin kolme vuosikymmentä sitten. Sen ymmärtäminen, mikä ohjaa elektronien pariutumista kupraateissa, voi auttaa suunnittelemaan suprajohteita, jotka toimivat korkeammissa lämpötiloissa.

"Tutkimuksen kupraatti ei ehkä ole materiaali suprajohtavuuden saavuttamiseksi huoneenlämpötilassa, noin 300 kelvinissä. Mutta ehkä jossain toisessa suprajohdemateriaaliperheessä voimme käyttää tätä tietämystä vihjeenä päästäksemme lähemmäksi huoneenlämpötilaa", Shen kertoo.

Aiheesta aiemmin:

Uusia näkemyksiä suprajohtavuuden tutkimuksiin

Spinkuvioita korkean lämpötilan suprajohteissa

Uusia vihjeitä suprajohtavuudesta