Cercetătorii identifică un mecanism-cheie al superconductivității la temperaturi înalte
Superconductivitatea are aplicații practice importante, de la magneți puternici folosiți în imagistica medicală de înaltă rezoluție până la transportul eficient al energiei electrice și construirea unor dispozitive de măsurare ultrasensibile. Însă mecanismul exact care face posibilă superconductivitatea la temperaturi înalte a rămas necunoscut oamenilor de știință timp de zeci de ani.
Un studiu condus de fizicieni de la Universitatea din Bristol și publicat în revista Nature Physics a identificat mecanismul care explică modul în care electronii din superconductorii pe bază de oxid de cupru se combină pentru a transmite energie fără pierderi — starea de conductivitate electrică infinită.
Rolul fluctuațiilor de spin
În superconductorii convenționali, la temperaturi mai scăzute, superconductivitatea apare prin intermediul vibrațiilor ionilor din rețeaua cristalină a materialului. Ani la rând, cercetătorii au căutat un mecanism diferit pentru temperaturile înalte, care să implice entități ce vibrează la frecvențe mai mari decât ionii. Electronii au fost principalul candidat, deoarece posedă atât spin — care generează un câmp magnetic minuscul —, cât și sarcină electrică.
Deși fluctuațiile de spin și de sarcină au fost cartografiate în detaliu în aceste materiale, lipsea dovada care să lege intensitatea interacțiunii dintre electronii de conducție și aceste fluctuații de temperatura critică Tc — temperatura sub care materialul devine superconductor. Această informație este codificată în rezistența materialului, iar extragerea ei din datele de rezistență era considerată cheia identificării interacțiunii relevante.
Un film subțire care dezvăluie interacțiunea
Echipa internațională de oameni de știință din Bristol, Țările de Jos, China și SUA a creat un film subțire special de cuprat — în acest caz, oxid de lantan și ceriu și cupru —, depus strat cu strat pe un substrat pentru a obține un gradient lin al temperaturii Tc, de la valoarea maximă până la zero, pe toată lungimea sa. Prin litografie, cercetătorii au realizat o serie de contacte electrice de-a lungul filmului, pentru a măsura rezistența în funcție de valori fin spațiate ale Tc, menținând constant nivelul de dezordine din material.
O serie de experimente au fost efectuate la o facilitate de câmp magnetic înalt pentru a extrage variația rezistenței în funcție de temperatură, intensitatea câmpului magnetic și Tc. Autoarea principală a părții experimentale, Caitlin Duffy, cercetătoare postdoctorală la Centrul Național Francez pentru Cercetare Științifică și fostă doctorandă a lui Hussey, a explicat că, folosind tehnici analitice asupra datelor obținute în câmpuri magnetice intense, echipa a identificat sursa dominantă a rezistenței în acest material: împrăștierea pe fluctuațiile de spin. Corelația dintre intensitatea acestei interacțiuni și Tc a confirmat că originea superconductivității în acest material este interacțiunea dintre electronii de conducție și fluctuațiile de spin.
Un al doilea ingredient încă necunoscut
Deși acesta este un progres major, cercetătorii au rezolvat doar jumătate din enigmă, deoarece superconductivitatea poate fi indusă în oxidul de cupru părinte în două moduri. Unul este introducerea de electroni, cum s-a procedat aici prin înlocuirea lantanului cu ceriu; celălalt este eliminarea de electroni, sau introducerea așa-numitelor „goluri”, prin alte substituții chimice.
Nigel Hussey, profesor de fizică la Universitatea din Bristol și coautor principal al studiului, a declarat că valorile cu adevărat ridicate ale Tc se regăsesc doar pe partea dopată cu goluri. El a adăugat că, deși ar fi tentant să se presupună că pentru a crește Tc pe această parte este suficient să se intensifice cuplajul cu spinii fluctuanți sau să îi facă să fluctueze la frecvențe mai mari, lucrurile nu sunt atât de simple. Compararea rezultatelor cu studiile anterioare în câmp magnetic înalt pe omologii dotați cu goluri arată că trebuie să existe un al doilea ingredient, încă necunoscut, responsabil pentru valorile mai mari ale Tc pe partea dopată cu goluri.
Hussey a subliniat că, odată găsit primul ingredient-cheie, sarcina actuală este de a-l descoperi pe al doilea, iar abia atunci teoreticienii vor putea dezvolta explicația completă a superconductivității la temperaturi înalte.
