De ce perechile de electroni nu sunt suficiente pentru superconductivitate la temperatura camerei
Superconductivitatea ar putea revoluționa transportul, stocarea energiei și calculatoarele cuantice. Trenurile care levitează, stocarea ultra-eficientă a energiei și calculatoarele cuantice sunt doar câteva dintre aplicațiile care ar deveni posibile dacă materialele ar conduce electricitatea fără nicio rezistență. Problema este că majoritatea superconductorilor funcționează doar la temperaturi extrem de scăzute, de ordinul a -260°C, ceea ce face răcirea lor costisitoare și consumatoare de energie.
Când aprinzi un prăjitor de pâine, curentul electric trece prin firul metalic, iar firul se încălzește din cauza rezistenței, transformând energia electrică în căldură. Pentru prăjitor acest lucru este dorit, dar în majoritatea celorlalte aplicații rezistența provoacă pierderi de energie. Superconductivitatea elimină aceste pierderi, însă condiția de temperatură extrem de joasă a limitat până acum utilizarea pe scară largă.
O descoperire veche de peste un secol, încă neexplicată complet
Superconductivitatea a fost descoperită în 1911. La mijlocul anilor 1980, cercetătorii au găsit materiale care deveneau superconductoare la temperaturi considerabil mai ridicate, deși tot în jurul valorii de -173°C. Teoria care explica superconductivitatea convențională la temperaturi joase nu putea explica acest nou tip de comportament, iar mecanismul rămâne incomplet înțeles.
„Nu înțelegem deloc superconductivitatea la aceste temperaturi mai ridicate”, a declarat Ingmar Swart, unul dintre coordonatorii cercetării. „Iar dacă nu o înțelegi, nu poți căuta sistematic materiale care devin superconductoare la temperatura camerei, ceea ce este, în cele din urmă, obiectivul nostru.”
Două condiții esențiale: perechile de electroni și mișcarea lor sincronă
Superconductivitatea depinde de două ingrediente principale: formarea perechilor de electroni, cunoscute sub numele de perechi Cooper, și capacitatea acestor perechi de a se deplasa în mod sincron. O analogie folosită de cercetători este aceea a zece cupluri care dansează pe o ring de dans: nu este suficient ca fiecare cuplu să danseze împreună, ci toate cuplurile trebuie să se miște în același ritm.
În superconductorii convenționali, de joasă temperatură, formarea perechilor și coordonarea colectivă apar împreună. Cercetarea nouă arată că lucrurile stau altfel în superconductorii de înaltă temperatură. În aceste materiale, electronii se pot deja împerechea la temperaturi mult mai ridicate decât pragul la care apare superconductivitatea.
„«Lipiciul» care ține perechile împreună este suficient de puternic pentru a le menține unite chiar și la temperatura camerei”, a explicat Swart. „Aceasta sugerează că al doilea ingredient cheie, coerența de fază, este adevărata piedică.”
Un posibil drum spre temperatura camerei
Coerența de fază se referă la mișcarea sincronă a perechilor de electroni. Echipa de cercetători de la Utrecht, Leiden și München a publicat rezultatele în revista Science, iar concluziile oferă o nouă perspectivă asupra modului în care funcționează superconductivitatea de înaltă temperatură și indică o posibilă direcție către superconductivitatea la temperatura camerei.
„Este o veste foarte bună”, a spus Swart. „Arătăm că una dintre cele două condiții cheie pentru superconductivitate poate fi îndeplinită la temperatura camerei. Dacă acest lucru nu ar fi fost posibil, superconductivitatea la temperatura camerei ar fi complet în afara discuției.”
Studiul, realizat pe eșantioane de Bi2Sr2CaCu2O8+δ, arată că perechile de electroni persistă la temperaturi mult peste pragul de apariție a superconductivității. Cercetătorii își propun să investigheze în continuare coerența de fază, considerată acum factorul limitativ principal, pentru a identifica o cale concretă spre materiale superconductoare la temperatura camerei.
