Po raz pierwszy zaobserwowano “niewidzialne” zjawisko. Nadprzewodniki wysokotemperaturowe bez tajemnic?

Nadprzewodniki oferują ogromne możliwości techniczne, ale wydaje się, że wciąż nie są w pełni wykorzystywane. Teraz naukowcy odkryli zjawisko, które pozwoli na stworzenie nadprzewodników działających w temperaturze pokojowej.
Wreszcie uda się odkryć tajemnice nadprzewodników wysokotemperaturowych?
Wreszcie uda się odkryć tajemnice nadprzewodników wysokotemperaturowych?

Nadprzewodniki są wszędzie. Bez nich nie byłoby superszybkich pociągów, badań diagnostycznych przy pomocy rezonansu magnetycznego, wydajnych linii energetycznych czy obliczeń kwantowych. Istniejące nadprzewodniki wymagają ekstremalnie niskich temperatur, więc ich przydatność jest ograniczona. Stworzenie nadprzewodników pracujących w temperaturze pokojowej to jedno z najważniejszych wyzwań fizyki. Największą zagadką – na którą nikt do tej pory nie znalazł odpowiedzi – jest mechanizm działania nadprzewodnictwa w wysokich temperaturach.

Czytaj też: Fizyka kwantowa – siedem faktów, które warto znać

Badania przeprowadzone przez naukowców z Uniwersytetu Bar-Ilan, które opisano w czasopiśmie Nature, stanowią krok w kierunku rozwiązania tej tajemnicy. Używając unikalnego mikroskopu magnetycznego znanego jako skanujący SQUID (superconducting quantum interference device), badacze sfotografowali zjawisko, które do tej pory było niewidoczne dla innych technik.

Jak zobaczyć “niewidzialne”?

Odkrycie nadprzewodników wysokotemperaturowych zaskoczyło całą społeczność naukową. Naukowcy oczekiwali, że dobre nadprzewodnictwo będzie obserwowane w metalach, ale wbrew oczekiwaniom odkryto, że najlepszymi nadprzewodnikami są izolacyjne materiały ceramiczne.

Zidentyfikowanie właściwości wspólnych dla tych materiałów ceramicznych może pomóc wskazać pochodzenie ich nadprzewodnictwa i umożliwić lepszą kontrolę nad temperaturą krytyczną. Jedną z takich właściwości jest to, że elektrony w materiałach silnie się odpychają – nie mogą więc się swobodnie poruszać. Zamiast tego, są one uwięzione w czymś na kształt sieci.

Elektrony mają dwie właściwości: ładunek i spin. Spin to kwantowa właściwość, odpowiedzialna za właściwości magnetyczne elektronów. W zwykłych materiałach ładunek i spin są “wbudowane” w elektrony i nie można ich rozdzielić. Są jednak materiały zwane kwantowymi cieczami spinowymi, w których interakcje między elektronami pozwalają na zaistnienie niesamowitego zjawiska, w którym każdy elektron jest rozbijany na dwie cząstki, jedną z ładunkiem (ale bez spinu) i jedną ze spinem (i bez ładunku). Takie kwantowe ciecze spinowe mogą istnieć w nadprzewodnikach wysokotemperaturowych i w rzeczywistości ich istnienie mogłoby wyjaśnić, dlaczego nadprzewodnictwo w tych materiałach jest tak dobre.

Czytaj też: Trójwarstwowy grafen ma niezwykłe właściwości. W przyszłości zostaną wykorzystane w technologiach kwantowych

Do tej pory jednak, kwantowe ciecze spinowe były nieuchwytne dla konwencjonalnych aparatów pomiarowych. Badania przeprowadzone przez prof. Beenę Kalisky z Uniwersytetu Bar-Ilan mogą okazać się przełomowe – jej zespół zbadał właściwości cieczy spinowej poprzez interakcję z nadprzewodnikiem.

W przeciwieństwie do cieczy spinowych, które nie generują żadnych sygnałów, nadprzewodniki mają wyraźne sygnatury magnetyczne, które są łatwe do zmierzenia. Byliśmy zatem w stanie zbadać właściwości cieczy spinowej poprzez pomiar niewielkich zmian, jakie generowała ona w nadprzewodniku.Prof. Beena Kalisky

Wykorzystano SQUID – niezwykle czuły czujnik magnetyczny zdolny do wykrywania zarówno magnetyzmu, jak i nadprzewodnictwa.

Zaobserwowaliśmy wiry powstałe w nadprzewodniku. Te wiry to krążące prądy elektryczne, z których każdy utrzymuje jeden kwant strumienia magnetycznego. Jedynym sposobem na stworzenie takich wirów jest przyłożenie pola magnetycznego, ale w naszym przypadku wiry powstawały spontanicznie. Ta obserwacja pokazała, że materiał sam generował pole magnetyczne. Zaskakująco stwierdziliśmy, że pole magnetyczne wytworzone przez materiał było niewidoczne dla bezpośredniego pomiaru magnetycznego.Prof. Beena Kalisky

W ten sposób udało się dostrzec “ukrytą” fazę magnetyczną, która została odsłonięta dzięki interakcji z warstwą nadprzewodzącą. Jest to pierwsza bezpośrednia obserwacja związku pomiędzy tymi dwoma fazami materii.