Μελέτη δείχνει τι συμβαίνει στην υπεραγωγιμότητα υψηλής θερμοκρασίας

Από σελίδα του Πανεπιστημίου του Τορόντο, 5 Μαρτίου 2004

Μια νέα μελέτη από θεωρητικούς φυσικούς στο Πανεπιστήμιο του Τορόντου και το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Λος Άντζελες (ULCA), θα μπορούσε να φέρει τους επιστήμονες ένα βήμα πιο κοντά στο όνειρο ενός υπεραγωγού, που να λειτουργεί στη θερμοκρασία δωματίου κι όχι στις ψυχρές θερμοκρασίες τις οποίες συνήθως συναντάμε στο διάστημα.

Βάσει των συμπερασμάτων της ομάδας των φυσικών, στο τεύχος της 4ης Μαρτίου του Nature, υπάρχουν τρεις παράγοντες που εξηγούν ένα περίπλοκο μοντέλο στις θερμοκρασίες, όπου τα πολυστρωματικά κεραμικά υλικά γίνονται υπεραγωγοί.

Η μελέτη θα μπορούσε να προωθήσει την έρευνα στην ιατρική απεικόνιση, τη μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας και τα μαγνητικά εναέρια τραίνα. Οι συντάκτες της μελέτης είναι η καθηγήτρια Hae-Young Kee και ο μεταδιδακτορικός ερευνητής της φυσικής Klaus Volker  του Πανεπιστημίου του Τορόντο, και καθηγητής Sudip Chakravarty του τμήματος φυσικής και αστρονομίας του UCLA.

Η υπεραγωγιμότητα

Η υπεραγωγιμότητα είναι ένα φαινόμενο που εμφανίζεται όταν ψύχονται ορισμένα μέταλλα κοντά στο απόλυτο μηδέν, στους -273^ο C. Στα κεραμικά υλικά, το φαινόμενο εμφανίζεται περίπου στους 100 Kelvin. Σε μια κρίσιμη θερμοκρασία -- αυτή μεταβάλλεται ανάλογα με τον αριθμό των στρωμάτων μέσα στην κεραμική ουσία -- το υλικό γίνεται ικανό να άγει το ηλεκτρικό ρεύμα χωρίς οποιαδήποτε απώλεια ενέργειας.

Παρά την αξία ενός τέτοιου αποδοτικού συστήματος, η πολύ μεγάλη ψύξη που απαιτείται -- που γίνεται συνήθως με υγρό άζωτο ή υγρό ήλιο -- κάνει την εφαρμογή των υπεραγωγών πολύ δύσκολη για πολλές εφαρμογές.

"Ένας υπεραγωγός στη θερμοκρασία δωματίου θα ήταν μια επανάσταση, αλλά ακόμα και ένας υπεραγωγός με μια υψηλότερη κρίσιμη θερμοκρασία θα είχε εξαιρετικά σημαντικές επιπτώσεις για πολλές βιομηχανίες", λέει η Kee, ο οποίος είναι καθηγητής στην έδρα της Θεωρητικής Φυσικής Συμπυκνωμένης Ύλης.

Οι επιστήμονες των υλικών έχουν αναπτύξει μια ομάδα υπεραγωγών "υψηλής θερμοκρασίας", που φτιάχνονται με στρώματα οξειδίων χαλκού μεταξύ μονωτικών υλικών. Αυτό το υλικό φθάνει σε κρίσιμες θερμοκρασίες κοντά στους 130 Kelvin -- τις υψηλότερες κρίσιμες θερμοκρασίες που έχουν οι ερευνητές καταφέρει μέχρι σήμερα.

Οι προηγούμενες μελέτες για τους υπεραγωγούς είχαν ανακαλύψει ότι οι κρίσιμες θερμοκρασίες ανεβαίνουν μόλις ο αριθμός των στρωμάτων αυξηθεί από ένα σε τρία. Όμως, από 3 έως 7 στρώματα η κρίσιμη θερμοκρασία έχει πέσει κάτω και από την κρίσιμη θερμοκρασία των υπεραγωγών μονής στρώσης.

Οι επιστήμονες προηγουμένως πρότειναν ότι η αύξηση της κρίσιμης θερμοκρασίας μεταξύ του ενός και των τριών στρώσεων των υλικών, οφείλεται στην ικανότητα των ζευγών ηλεκτρονίων να κάνουν φαινόμενο σήραγγας μεταξύ των στρωμάτων του υπεραγωγικού υλικού.

Τώρα, η Kee και οι συνάδελφοί της έχουν προσδιορίσει τους παράγοντες που συνδυάζονται με έναν μηχανισμό -- που είναι γνωστός ως ανταγωνιστική κατάταξη -- που μειώνει την κρίσιμη θερμοκρασία ενός υπεραγωγού στα υλικά με περισσότερα από τρία στρώματα. Τούτη η "ανταγωνιστική κατάταξη", εν συνεχεία, εξαρτιέται από μια ανόμοια κατανομή των ηλεκτρονίων, με συνέπεια μια δυσαναλογία φορτίων μεταξύ των πολλαπλών στρωμάτων του υλικού.

Η Kee και οι συνάδελφοί της είναι η πρώτη ομάδα που μπόρεσαν να βάλουν αυτούς τους τρεις παράγοντες -- το φαινόμενο σήραγγας, την ανταγωνιστική κατάταξη και την ανισορροπία φορτίων -- μαζί.

"Εάν μπορούσαμε να βρούμε έναν τρόπο για να επιδράσουμε στην ανισορροπία φορτίων, θα μπορούσαμε να καταστείλουμε την ανταγωνιστική κατάταξη και να αναπτύξουμε υπεραγωγικά υλικά με ολοένα υψηλότερες κρίσιμες θερμοκρασίες", λέει η Kee.

"Και εάν καταφέρουμε να κάνουμε την υπεραγωγική θερμοκρασία υψηλότερη, τότε η τεχνολογία αυτή θα γίνει πολύ φτηνότερη για τις εφαρμογές".