Η υπεραγωγιμότητα και το μαγνητικό πεδίο μπορούν να συνυπάρχουν

Από τον δικτυακό τόπο Focus του Physical Review Letters, 21 Μαΐου 2003

Συνήθως ένα μαγνητικό πεδίο εκμηδενίζει τα ρεύματα που χωρίς αυτό ρέουν ελεύθερα σε έναν υπεραγωγό. Αλλά όταν ένας υπεραγωγός επιστρωθεί με πολλές μικροσκοπικές μαγνητικές κουκίδες, μπορεί να συμπεριφερθεί κατ' αντίθετο τρόπο και να μεταφέρει ελεύθερα το ηλεκτρικό ρεύμα όταν εκτεθεί σ' ένα μαγνητικό πεδίο. Η τεχνική αυτή μπορεί κάποτε να επεκτείνει σημαντικά τα όρια των ρευμάτων που μπορούν να μεταφέρουν τα υπεραγώγιμα καλώδια. 

Σύμφωνα με την θεωρία της υπεραγωγιμότητας των Bardeen-Cooper-Schreiffer  ηλεκτρόνια με αντίθετα σπιν σχηματίζουν ζεύγη που μπορούν να κινούνται μέσα σ' ένα υλικό χωρίς αντίσταση. Ένα μαγνητικό πεδίο μπορεί να καταστρέψει την υπεραγωγιμότητα με δύο τρόπους: Είτε διασπώντας το ηλεκτρονικό ζεύγος, είτε προσπαθώντας να κάνει και τα δύο σπιν των ηλεκτρονίων να ευθυγραμμιστούν προς την ίδια κατεύθυνση. Αυτά τα δύο φαινόμενα επίσης περιορίζουν και το μέγιστο ρεύμα που μπορεί να μεταφέρει ένας υπεραγωγός, διότι τα φαινόμενα αυτά εκδηλώνονται και με το μαγνητικό πεδίο που παράγει ο ίδιος ο αγωγός εξαιτίας του δικού του ρεύματος.  

Μέχρι σήμερα μόνο λίγες ενώσεις παρέμεναν υπεραγώγιμες υπό την επίδραση ενός εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου. Ακόμη μικρότερος  ήταν ο αριθμός των υλικών στα οποία κατά παράδοξο τρόπο, ένα εφαρμοζόμενο πεδίο επάγει υπεραγωγιμότητα σύμφωνα με το φαινόμενο που λέγεται επαγόμενη υπεραγωγιμότητα από μαγνητικό πεδίο. 

Κάθε υπεραγωγός μπορεί να πετύχει την εκμετάλλευση της επαγώμενης υπεραγωγιμότητας από μαγνητικό πεδίο, αν επιστρωθεί με μικρές μαγνητικές κουκίδες, λένε οι Martin Lange, Victor Moshchalkov, και οι συνεργάτες τους από το Καθολικό πανεπιστήμιο της Leuven του Βελγίου. Για να το αποδείξουν οι ερευνητές αυτοί μελέτησαν μικροτσιπ καλυμμένα με φιλμ από μόλυβδο, ο οποίος γίνεται υπεραγωγός όταν ψυχθεί σε λίγους βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν. Πάνω από τον μόλυβδο διέσπειραν ένα πλέγμα από μικροσκοπικές μαγνητικές κουκίδες, καθεμιά με διάμετρο 800 νανόμετρα και σε απόσταση η μια από την άλλη 1,5 μικρόμετρα. Η μαγνήτιση των κουκίδων μπορούσε να κατευθύνεται είτε προς τα επάνω είτε προς τα κάτω. Αν κατευθυνόταν προς τα επάνω, οι κουκίδες δημιουργούσαν μια μορφή πεδίου το οποίο κατευθυνόταν προς τα επάνω προερχόμενο από το μόλυβδο ακριβώς κάτω από την κουκίδα, έβγαινε στον αέρα και καμπυλωνόταν προς τα κάτω για να περάσει πάλι από τον μόλυβδο με φορά προς τα κάτω στον χώρο μεταξύ των κουκίδων. Τα πεδία αυτής της μορφής καταργούσαν την υπεραγωγιμότητα του φιλμ, ακριβώς όπως αναμενόταν. 

Ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο εξουδετερώνει μέρος των πεδίων που δημιουργούν οι μαγνητικές κουκίδες, και επιτρέπει τη ροή του ρεύματος χωρίς αντιστάσεις.  Το φαινόμενο αυτό θα μπορούσε ν' αυξήσει το όριο του ρεύματος που μπορεί να φτάσει ένας υπεραγωγός χωρίς να χάσει τις υπεραγώγιμες ιδιότητές του. 

Στη συνέχεια οι ερευνητές εφάρμοσαν ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο που επίσης κατευθυνόταν προς τα επάνω μέσω του φιλμ. Μεταξύ των κουκίδων το εξωτερικό αυτό πεδίο εξουδετέρωνε το πεδίο που υπήρχε ήδη από τις κουκίδες, επιτρέποντας στην υπεραγωγιμότητα να εκδηλωθεί και στο φιλμ να μεταφέρει το ηλεκτρικό ρεύμα χωρίς αντίσταση. Φυσικά, ακριβώς κάτω από τις κουκίδες, το εξωτερικό πεδίο ενίσχυε το πεδίο που ήδη υπήρχε εκεί, και περιόριζε ακόμη περισσότερο την υπεραγωγιμότητα. Έτσι δημιουργούνται μικρές νησίδες επί του φιλμ όπου αναστέλλεται η υπεραγωγιμότητα. "Μοιάζει με Ελβετικό τυρί" λέει ο Moshchalkov. " Υπάρχουν τρύπες. Αλλά ευτυχώς απομένει και αρκετό υπεραγώγιμο υλικό." 

"Πράγματι η τεχνική μπορεί να παραλληλιστεί με μια διάταξη μικρών σφουγγαριών, τα οποία είναι ήδη λίγο υγρά, και βρίσκονται πάνω σ' ένα υγρό πάτωμα. Τα σφουγγάρια θ' απορροφήσουν το νερό. Το πάτωμα μεταξύ των σφουγγαριών θα είναι στεγνό με κόστος βέβαια τη συγκέντρωση περισσότερου νερού μέσα και κάτω από το σφουγγάρι" λέει ο Victor Moshchalkov. 

Οι μαγνητικές κουκίδες μπορούν κάποια μέρα να ενσωματωθούν μέσα σε υπεραγώγιμα σύρματα για να εξουδετερώσουν τα πεδία που δημιουργούν τα ίδια τα σύρματα, κι έτσι ν' αυξήσουν την ένταση του ρεύματος που αυτά θα μπορούν να μεταφέρουν. Θα μπορούσαν επίσης να δημιουργήσουν ρεύματα που θα διατρέχουν μικροσκοπικούς υπεραγώγιμους δακτυλίους, συγχρόνως και προς τις δύο κατευθύνσεις. Τέτοιοι δακτύλιοι θα μπορούσαν να παίξουν τον ρόλο των bits σε υπερ-γρήγορους κβαντικούς υπολογιστές.  

"Οι εφαρμογές αυτές μπορεί να περιμένουν ακόμη αρκετά χρόνια, αλλά η τεχνική αυτή ήδη δείχνει την μεγάλη δυναμική του συνδυασμού διαφορετικού τύπου υλικών. Δηλαδή των μαγνητών και των υπεραγωγών με την νανοτεχνολογία" λέει ο Francesco Tafuri του Ιταλικού Εθνικού Ινστιτούτου για τη Φυσική και την Ύλη στη Νάπολη. 

Αναφορά: Nanoengineered Magnetic-Field-Induced Superconductivity
Martin Lange, Margriet J. Van Bael, Yvan Bruynseraede, και Victor V. Moshchalkov
Phys. Rev. Lett. 90, 197006