Μια παράξενη υπεραγώγιμη σφαίρα παραβιάζει την καθιερωμένη θεωρία για τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων

Από την ηλεκτρονική σελίδα του Scientific American, 13 Δεκεμβρίου 2001

Μια νέα μελέτη προτείνει ότι ένα είδος υπεραγωγού σε υψηλή θερμοκρασία παραβιάζει μια θεωρία που ισχύει εδώ και 150 χρόνια στη Φυσική Στερεάς Κατάστασης. Πιο συγκεκριμένα ο νόμος Wiedemann-Franz προβλέπει ότι σε χαμηλές θερμοκρασίες, τα μέταλλα άγουν τόσο την θερμότητα όσο και τον ηλεκτρισμό. Αλλά τώρα οι φυσικοί βρήκαν ότι η θερμότητα και το φορτίο σε έναν υπεραγωγό βασισμένον σε ένα οξείδιο του χαλκού, ακολουθούν διαφορετικούς δρόμους κοντά στο απόλυτο μηδέν. Αν συνεχίσουμε αυτή την πορεία της έρευνας θα οδηγηθούμε σε μια πληρέστερη κατανόηση των υπεραγώγιμων υλικών και θα καταλάβουμε πως θα βρούμε ακόμη καλύτερα τέτοια υλικά. Τα αποτελέσματα αυτής της έρευνας παρουσιάζονται στο τεύχος αυτής της εβδομάδας του περιοδικού Nature.

Ο νόμος Wiedemann-Franz είναι συνέπεια της πολύ επιτυχημένης θεωρίας του ρευστού Fermi, η οποία λέει ότι αν αναφερόμαστε σε μεγάλο πλήθος ηλεκτρονίων, μπορούμε να θεωρούμε τα ηλεκτρόνια ως σωματίδια με μεγαλύτερη μάζα απ' ότι αν ήταν μεμονωμένα, αλλά με το ίδιο φορτίο και spin όπως το συνηθισμένο τους.

Οι φυσικοί έχουν δει ενδείξεις ότι οι υπεραγωγοί με βάση το οξείδιο του χαλκού παραβιάζουν τη θεωρία υγρών Fermi όταν βρίσκονται στην μη υπεραγώγιμη κατάσταση. Ως εξήγηση μερικοί φυσικοί προτείνουν ότι οι ομάδες των ηλεκτρονίων μερικές φορές συμπεριφέρονται ως κάθε ένα από αυτά να αποτελείται από ένα ζεύγος οντοτήτων που φέρουν ανεξάρτητα φορτία και spin.

Επειδή και οι δύο οντότητες άγουν τη θερμότητα, ένα υλικό γεμάτο από τέτοια ηλεκτρόνια δεν θα έχει την ίδια στενή συσχέτιση θερμότητας και φορτίου. Για να ελεγχθεί αυτή η δυνατότητα, η ομάδα των ερευνητών κατάργησε την υπεραγωγιμότητα από την ένωση PCCO με βάση το οξείδιο του χαλκού, και παρατήρησε την αγωγή θερμότητας και φορτίου σε θερμοκρασία κάτω από 1 βαθμό Kelvin.

" Η μέτρησή μας είναι πιθανόν η πιο σαφής ένδειξη αυτού του διαχωρισμού spin-φορτίου" λέει ένας από τους συγγραφείς του άρθρου, ο Louis Taillefer του πανεπιστημίου του Toronto. " Είναι ενδιαφέρον διότι αποκαλύπτει μια περίπτωση όπου κάποια νέα φυσική αναδύεται" συμπληρώνει. Ο Taillefer λέει ότι το επόμενο βήμα θα είναι να εξετάσουν την συμπεριφορά του PCCO σε μια πλατιά περιοχή τιμών συγκεντρώσεων ηλεκτρονίων, για να δουν που παύει να ισχύει η θεωρία του υγρού Fermi, σε μια προσπάθεια ν' αναπτυχθεί μια καλύτερη θεωρία για τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων στις ενώσεις αυτές.

Μια τέτοια κατανόηση θα έκανε πιο εύκολη την αναζήτηση υλικών που γίνονται υπεραγώγιμα σε ακόμη υψηλότερες θερμοκρασίες.