Znajdź zawartość

Podstawą nadprzewodnictwa jest łączenie się elektronów w pary. Rodzi się jednak pytanie, czy mogą wobec tego łączyć się też w czwórki. Profesor Egor Babaev przez niemal 20 lat szukał sposobu ma tworzenie nowego stanu materii, elektronowych czworaczków. Teraz w końcu mu się udało. Pracujący pod jego kierunkiem fizycy ze szwedzkiego Królewskiego Instytutu Technologii (KTH – Kungliga Tekniska högskolan) donieśli na łamach Nature Physics, że udało im się uzyskać stan przewidziany przez Babaeva przed 17 laty. Uczony w 2004 roku opublikował artykuł, w którym teoretycznie opisał elektronowe czworaczki, a w roku 2012 opisał, w jaki sposób je uzyskać je w bazującym na żelazie materiale Ba1−xKxFe2As2. Łączenie się elektronów w pary pozwala na pojawienie się nadprzewodnictwa, stanu, w którym ładunek elektryczny nie napotyka na przeszkody. O tym, że elektrony mogą się łączyć, a nie odpychać, dowiedzieliśmy się z teorii opracowanej przez Coopera, Bardeena i Schrieffera, którzy zostali za nią uhonorowani Nagrodą Nobla w 1972 roku. To właśnie te tzw. pary Coopera są nośnikami ładunku w nadprzewodnikach. W normalnych warunkach dwa elektrony, które mają przecież te same ładunki, silnie się odpychają. Jednak w niskich temperaturach w kryształach łączą się w luźne pary. O parach takich wiedzieliśmy od dawna. Jednak idea łączenia się fermionów (a elektrony są fermionami) w czwórki została przez naukowców zaakceptowana dopiero niedawno. Profesor Babaev wyjaśnia, że aby doszło do zaistnienia związku czterech fermionów musi pojawić się coś, co zapobiegnie tworzeniu się par oraz ich przepływie bez oporu, a jednocześnie umożliwi tworzenie czterofermionowego kondensatu. Problem w tym, że teoria BCS, mikroskopowa teoria nadprzewodnictwa zwana też teorią Bardeena-Coopera-Shrieffera, nie pozwala na tworzenie fermionowych czworaczków. Gdy więc współpracujący z Babaevem eksperymentator Vadim Grinenko z Technische Universtät Dresden trafił przed 3 laty na ślady wskazujące na istnienie takiego stanu materii, naukowcy musieli zmierzyć się z powszechnie akceptowaną teorią. Przez kolejne trzy lata uczeni prowadzili liczne eksperymenty i badania, mające potwierdzić odkrycie. Babaev mówi, że kluczową obserwacją jest spostrzeżenie, że czterofermionowe kondensaty spontanicznie łamią parzystość operacji odwrócenia czasu. Jest to matematyczna operacja, która pozwala zmienić znak współrzędnej czasowej na ujemny, dzięki czemu można opisać zjawisko tak, jakby czas biegł do tyłu lub cały ruch biegł w przeciwnym kierunku. Gdy użyjemy takiego zabiegu matematycznego, to wszystkie podstawowe prawa fizyki nadal działają. Działają też nadprzewodniki. Innymi słowy, jeśli obliczamy teoretycznie właściwości typowego nadprzewodnika i odwrócimy strzałkę czasu, nadal jest on takim samym nadprzewodnikiem. Jednak w przypadku czterofermionowego kondensatu po odwróceniu strzałki czasu pojawia się inny stan. Prawdopodobnie minie wiele lat, zanim go w pełni zrozumiemy. Nasze eksperymenty prowadzą do postawienia wielu nowych pytań, ujawniają istnienie wielu niezwykłych właściwości powiązanych z reakcją na temperaturę, pole magnetyczne i ultradźwięki, dodaje Babaev. « powrót do artykułu

Zdaniem chemików-teoretyków z University of Chicago, powinno być możliwe stworzenie materiałów, które jednocześnie przesyłają prąd elektryczny oraz energię ekscytonów i czynią to bez strat w dość wysokich temperaturach. Naukowcy obliczyli, ze takie materiały powinny istnieć w pojedynczym stanie kwantowym, jednak będą wykazywały właściwości dwóch różnych kondensatów – jednego złożonego z ekscytonów i drugiego z par fermionów. Kondensaty Bosego-Einsteina uzyskuje się w wyniku schładzania gazów tak bardzo, że długość fal materii de Broglie'a poszczególnych cząstek jest porównywalna z odległościami pomiędzy nimi. W ten sposób całość ma ten sam podstawowy stan kwantowy. Kondensat musi składać się z bozonów, gdyż mają one spin całkowity i mogą jednocześnie przybierać ten sam stan kwantowy. Możliwe jest też stworzenie kondensatów Bosego-Einsteina z par fermionów o spinie połówkowym, gdyż taka para ma spin całkowity, jest więc bozonem. W nadprzewodnikach pary elektronów (fermionów), zwane parami Coopera, tworzą stan nadciekły, dzięki czemu prąd może przemieszczać się nie napotykając oporu. pary Coopera mają niską energię wiązania, co oznacza, że wiązania są łatwo rozrywane przez energię termiczną. Po przekroczeniu pewnej temperatury granicznej pary ulegają rozerwaniu i materiał z nadprzewodnika staje się przewodnikiem. Jednym ze sposobów na podniesienie temperatury granicznej kondensatu jest uzyskanie go z ekscytonów (bozonów), czyli par elektron-dziura. Ekscytony, w przeciwieństwie do par Coopera, nie niosą ze sobą ładunku elektrycznego. Są silniej ze sobą powiązane, co oznacza, że stworzony z nich kondensat może istnieć w wyższych temperaturach niż nadprzewodnik. Problem jednak w tym, że cząstki i dziury bardzo szybko ulegają anihilacji, więc kondensaty z ekscytonów są bardzo trudne do uzyskania. Kondensaty ekscytonów można uzyskiwać umieszczając elektrony w pułapce optycznej lub wykorzystując bliźniacze warstwy materiału, takiego jak półprzewodniki czy grafen, do utrzymania elektronów i dziur z dala od siebie. Kondensaty ekscytonowe mogą też współistnieć z kondensatami stworzonymi z par fermionów. W takim systemie umożliwiają one istnienie par Coopera w wyższych temperaturach. Autorzy najnowszych badań, LeeAnn Sager, Shiva Safaei i David Mazziotti z University of Chicago przypominają, że właściwości obu typów kondensatów wchodzących w skład takiego systemu, pozostają różne. Uczeni postanowili sprawdzić, czy jest teoretycznie możliwe stworzenie materiału, który jednocześnie wykazuje właściwości obu kondensatów. Taki materiał mógłby jednocześnie przewodzić elektryczność i energię wzbudzenia ze 100-procentową wydajnością. Naukowcy wykorzystali model komputerowy do symulowania zachowania systemu składającego się z czterech fermionów. Z modelu wynika, że taki materiał rzeczywiście wykazywałby właściwości obu kondensatów. Uczeni nie mieli dostępu do wystarczających mocy obliczeniowych, by przeskalować swój system. Obliczyli więc, co by się stało, gdyby splątano kwantowe funkcje falowe nadprzewodnika i ekscytonowego kondensatu zawierającego dużą liczbę cząstek. Jak mówi Mazziotti, z obliczeń wynika, że istnieje dość duża rodzina funkcji falowych, łączących te właściwości. Nic nie stoi na przeszkodzie, by właściwości te wykazywały w świecie makro. Jak czytamy na łamach Physical Review B, ten pojedynczy stan kwantowy, który nazwali kondensatem fermionowo-ekscytonowym, łączy właściwości obu kondensatów w „wysoce nietrywialny sposób”. Teraz grupa Mazziottiego współpracuje z praktykami nad stworzeniem w laboratorium opisanego teoretycznie materiału. Na razie najbardziej oczywistym kandydatem do jego stworzenia wydaje się para nadprzewodzących warstw, chociaż naukowcy nie wiedzą jeszcze, jakiego nadprzewodnika użyją. Uczeni nie mają jednak złudzeń, co do zadania, jakie przed sobą postawili. Jednym z problemów, z którymi będą musieli się zmierzyć, jest zarządzanie różnymi energiami wiązań par Coopera i ekscytonów. Trudno będzie zbliżyć obie warstwy do siebie tak, by pojawiło się wiązanie, a jednocześnie, by były one od siebie na tyle daleko, by nie doszło do tunelowania elektronów pomiędzy warstwami. Jeśli jednak uda się tego dokonać, możemy zyskać niezwykły materiał. Może on np. posłużyć do stworzenia urządzeń do obrazowania medycznego, w których nie będzie dochodziło do utraty światła, zatem zyskamy niezwykle dużą rozdzielczość obrazu. « powrót do artykułu