|
Πενήντα χρόνια μετά από την εξήγηση για το
πώς λειτουργούν οι υπεραγωγοί - που κέρδισε και το Νόμπελ φυσικής το 1972, μια ερευνητική ομάδα από το
Εθνικό Εργαστήριο του Los Alamos, το πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου και το πανεπιστήμιο του
Καίμπριτζ προτείνουν έναν άλλο μηχανισμό για το ακόμα μυστηριώδες
φαινόμενο.
Σε μια ανασκόπηση που δημοσιεύεται στο Nature, οι
ερευνητές
David Pines, Philippe Monthoux και Gilbert Lonzarich επιβεβαιώνουν ότι η υπεραγωγιμότητα σε ορισμένα υλικά μπορεί να
πραγματοποιηθεί χωρίς την αλληλεπίδραση των ηλεκτρονίων με την παλμική
κίνηση της δομής ενός υλικού.
 Αυτή η φωτογραφία παρουσιάζει έναν μαγνήτη
που αιωρείται πάνω από έναν υπεραγωγό υψηλής
θερμοκρασίας, που ψύχεται με υγρό άζωτο. Ένα μόνιμο ηλεκτρικό ρεύμα ρέει στην επιφάνεια του υπεραγωγού,
σχηματίζοντας έτσι έναν ηλεκτρομαγνήτη που απωθεί το μαγνήτη. Η αποβολή
ενός ηλεκτρικού πεδίου από έναν υπεραγωγό είναι γνωστό ως φαινόμενο Meissner
Η έκθεση με τίτλο, "Υπεραγωγιμότητα χωρίς φωνόνια," ερευνά πώς τα υλικά, υπό
ορισμένους όρους, μπορούν να γίνουν υπεραγωγοί με έναν μη παραδοσιακό
τρόπο. Η υπεραγωγιμότητα είναι ένα φαινόμενο στο οποίο τα υλικά
άγουν την ηλεκτρική ενέργεια χωρίς αντίσταση, συνήθως σε εξαιρετικά
ψυχρές θερμοκρασίες περίπου μείον 253
βαθμούς Κελσίου -- τη θερμοκρασία στην οποία το υδρογόνο
γίνεται υγρό. Η υπεραγωγιμότητα ανακαλύφθηκε αρχικά το 1911.
Μια νεώτερη κατηγορία υλικών που γίνονται υπεραγωγοί σε θερμοκρασίες πιο κοντά στη θερμοκρασία του υγρού αζώτου -- μείον 196 βαθμούς
Κελσίου -- είναι γνωστά ως " υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας".
Το 1957 αναπτύχθηκε από τους John Bardeen, Leon Cooper και John
Schrieffer μια θεωρία για τους συμβατικούς υπεραγωγούς χαμηλής θερμοκρασίας, που
βασίστηκε σε μια έντονη ελκτική αλληλεπίδραση μεταξύ των
ηλεκτρονίων. Η εξήγηση, που συχνά ονομάζεται θεωρία BCS, κέρδισε το
βραβείο Νόμπελ στη φυσική το 1972.
Η καθαρή έλξη μεταξύ των ηλεκτρονίων, που ήταν η βάση για τη
θεωρία BCS, προέρχεται από τη σύζευξή τους με τα φωνόνια, τις κβαντοποιημένες
δονήσεις του κρυσταλλικού πλέγματος ενός υπεραγωγικού υλικού. Αυτή
η σύζευξη οδηγεί στο σχηματισμό μιας μακροσκοπικά κατειλημμένης
κβαντικής κατάστασης που περιέχει ζεύγη ηλεκτρονίων -- μια κατάσταση
που μπορεί να ρέει χωρίς καμιά αντίσταση, δηλαδή
μια υπεραγωγική κατάσταση.
"Σαν τις δονήσεις σε ένα στρώμα νερού που αναγκάζουν τελικά αυτούς
που βρίσκονται πάνω του να κινούνται συγχρόνως στο κέντρο, έτσι και τα
φωνόνια μπορούν να αναγκάσουν τα
ηλεκτρόνια με αντίθετο σπιν να έλκονται μεταξύ τους, λέει ο Pines, που
μαζί με τον Bardeen το 1954, έδειξε ότι αυτή η έλξη θα μπορούσε
να υπερισχύσει από την προφανώς πολύ ισχυρότερη άπωση μεταξύ των
ηλεκτρονίων, προετοιμάζοντας το έδαφος για τη θεωρία BCS, που αναπτύχθηκε
μερικά χρόνια αργότερα.
Εντούτοις, σύμφωνα με τους Pines, Monthoux και Lonzarich, η έλξη
των ηλεκτρονίων που οδηγεί στην υπεραγωγιμότητα μπορεί να εμφανιστεί χωρίς
φωνόνια στα υλικά που είναι στα πρόθυρα της έκθεσης μαγνητικής
τάξης -- στην οποία τα ηλεκτρόνια ευθυγραμμίζονται σε ένα κανονικό σχέδιο
εναλλασσόμενων σπιν.
Στην έκθεση τους, οι Pines, Monthoux και Lonzarich εξετάζουν τα υλικά που
κάνουν δυνατή μια μεγάλη δραστική έλξη, η οποία
δημιουργείται με τη σύζευξη ενός δεδομένου ηλεκτρονίου με τα εσωτερικά
μαγνητικά πεδία όπως παράγονται από άλλα ηλεκτρόνια μέσα στο υλικό. Τελικά
η ανάπτυξη μαγνητικών ζευγών ηλεκτρονίων μπορεί να προκαλέσει
υπεραγωγιμότητα σε πιο υψηλές θερμοκρασίες μερικές φορές, από αυτές που στα υλικά
τα φωνόνια προσφέρουν την 'κόλλα' για να ζευγαρώσουν τα ηλεκτρόνια.
Μεταξύ των διαφόρων υλικών που εμφανίζονται ικανά να έχουν υπεραγωγιμότητα
χωρίς τα φωνόνια είναι οι βαριοί υπεραγωγοί ηλεκτρονίων που
έχουν μελετηθεί εκτενώς στο Los Alamos από την αρχή της δεκαετίας του '80,
ορισμένα οργανικά υλικά, καθώς και υλικά του οξειδίου του χαλκού, στα
οποία η υπεραγωγιμότητα αναπτύσσεται μέχρι και σε διπλάσια θερμοκρασία στην οποία
υγροποιείται το άζωτο.
"Εάν βρούμε ποτέ ένα υλικό που η υπεραγωγιμότητα εμφανίζεται στη θερμοκρασία
δωματίου -- το Ιερό Δισκοπότηρο της υπεραγωγιμότητας -- αυτό θα είναι μέσα σε
αυτήν την κατηγορία υλικών," λέει ο Pines. "Αυτή η έρευνα σας
προσφέρει πού μπορείτε να ψάξετε για τις νέες κατηγορίες υπεραγωγικών
υλικών."
Η υπεραγωγιμότητα
εμφανίζεται σε μερικά υλικά όταν αυτά ψυχθούν κάτω
από μια κρίσιμη θερμοκρασία Τc, αυτά δε εμφανίζουν δύο ιδιότητες:
1. Μηδενική Ηλεκτρική Αντίσταση:
δεν δαπανάται καθόλου ενέργεια ως θερμότητα όταν το υλικό διαρρέετε από
ηλεκτρικό ρεύμα
2. Τέλειος διαμαγνητισμός (φαινόμενο Meissner): δηλαδή το υπεραγώγιμο υλικό απωθεί εκτός της μάζας
του όλες τις δυναμικές γραμμές ενός μαγνητικού πεδίου, οι οποίες αν το
υλικό ήταν σε κανονική αγώγιμη κατάσταση θα το διαπερνούσαν.
Επίσης, γνωρίζουμε ότι:
-
Η ηλεκτρική αντίσταση στα μέταλλα δημιουργείται από την
σκέδαση των ηλεκτρονίων καθώς διαδίδονται μέσα στα μέταλλα και τα οποία
παρουσιάζουν αποκλίσεις από την τέλεια περιοδικότητα των θέσεων των
ιόντων μέσα στο κρυσταλλικό πλέγμα των μετάλλων. Γιατί αν υπήρχε τέλεια
περιοδικότητα στις θέσεις των ιόντων δεν θα υπήρχε αντίσταση. Η σκέδαση
αυτή γίνεται είτε επί των προσμίξεων που πιθανόν υπάρχουν στο μέταλλο,
είτε από τα φωνόνια, δηλαδή τις ταλαντώσεις των πλεγματικών θέσεων. Η
σκέδαση επί των προσμίξεων οδηγεί σε αντίσταση που δεν εξαρτάται από την
θερμοκρασία.
Για την εξήγηση της υπεραγωγιμότητας προτάθηκε το 1957 από τους Bardeen,
Cooper και Schrieffer μια θεωρία που φέρει τα αρχικά των ονομάτων τους,
η θεωρία (BCS). Τα βασικά σημεία αυτής της θεωρίας έχουν ως εξής:
-
Τα ηλεκτρόνια καθώς κινούνται μέσα στο μέταλλο,
αλληλεπιδρούν με τα κατιόντα, δημιουργώντας τοπικές παραμορφώσεις του
φορτίου - δηλαδή περιοχές με μεγαλύτερη πυκνότητα θετικού φορτίου γύρω
τους - οι οποίες διαδίδονται μέσα στην πλεγματική δομή καθώς ταξιδεύει
το ηλεκτρόνιο και προκαλούν με τη σειρά τους νέες παραμορφώσεις στο
περιοδικό δυναμικό.
-
Ένα άλλο ηλεκτρόνιο τώρα που βρίσκεται σε κάποια απόσταση,
έλκεται από αυτήν την τοπική θετική πυκνότητα φορτίου που διαδίδεται
μαζί με το πρώτο ηλεκτρόνιο. Ουσιαστικά δηλαδή πρόκειται για μια
αλληλεπίδραση ηλεκτρονίου-φωνονίου. Με τον τρόπο αυτό τα ηλεκτρόνια
έλκονται έμμεσα το ένα με το άλλο και σχηματίζουν ένα ζεύγος Cooper. Η
κατάσταση αυτή των δύο ηλεκτρονίων είναι μια δέσμια κατάσταση, και τα
ζεύγη αυτά είναι οι φορείς του ρεύματος κατά την υπεραγωγιμότητα.
Μαθηματικά η απάντηση στο γιατί όμως τα ζεύγη Cooper έχουν τόσο υψηλή
αγωγιμότητα είναι ότι ένα ζεύγος Cooper είναι πιο σταθερό ενεργειακά από
ένα μεμονωμένο ηλεκτρόνιο.
Φυσικά αυτό εξηγείται επειδή το ζεύγος Cooper είναι πιο ανθεκτικό κατά
τις σκεδάσεις με τις ταλαντώσεις του πλέγματος, καθώς η έλξη του κάθε
ηλεκτρονίου με τον συνέταιρό του βοηθάει και τα δύο να μην ξεφεύγουν από
την πορεία τους. Τα ζευγάρια Cooper κινούνται μέσα στο πλέγμα, σχετικά
ανεπηρέαστα από τις θερμικές ταλαντώσεις, κάτω από την κρίσιμη
θερμοκρασία.
Η θεωρία BCS όμως προβλέπει μια θεωρητική μέγιστη τιμή για κρίσιμη
θερμοκρασία, της τάξης των 30-40K, καθώς πάνω από αυτήν η θερμική
ενέργεια θα απαιτούσε αλληλεπιδράσεις ηλεκτρονίων-φωνονίων πολύ υψηλής
ενέργειας για να δημιουργηθούν και να παραμείνουν σταθερά τα ζεύγη
Cooper.
Το 1986 ωστόσο γνωρίσαμε υπεραγωγούς με υψηλή κρίσιμη θερμοκρασία, που
έσπασαν το όριο των 30-40Κ. Η υψηλότερη Τc σήμερα φτάνει τους 150Κ. Η
θεωρία BCS δεν μπορεί να εξηγήσει αυτή την υπεραγωγιμότητα.
Στη φυσική, το φωνόνιο είναι ένας κβαντισμένος τρόπος δόνησης που
εμφανίζεται σε ένα άκαμπτο πλέγμα κρυστάλλου, όπως είναι το ατομικό
πλέγμα ενός στερεού. Η μελέτη των φωνονίων αποτελεί σημαντικό μέρος της
φυσικής στερεάς κατάστασης, επειδή τα φωνόνια διαδραματίζουν σημαντικό
ρόλο σε πολλές από τις φυσικές ιδιότητες των στερεών,
συμπεριλαμβανομένων της θερμικής και ηλεκτρικής αγωγιμότητας ενός
υλικού. Ειδικότερα, οι ιδιότητες των φωνονίων με μεγάλο μήκος κύματος
προκαλούν τον ήχο στα στερεά -- γι αυτό και ονομάστηκαν φωνόνια. Στα
μονωμένα στερεά, τα φωνόνια είναι επίσης ο αρχικός μηχανισμός μέσω του
οποίου πραγματοποιείται η αγωγή της θερμότητας.
Αριστερά: κανονικοί τρόποι δόνησης που κινούνται μέσα σε
έναν κρύσταλλο
Τα φωνόνια επίσης είναι μια κβαντομηχανική έκδοση ενός
ειδικού τύπου παλμικής κίνησης, γνωστού ως κανονικού τρόπου στην
κλασσική μηχανική, στην οποία κάθε τμήμα ενός δικτυωτού πλέγματος
ταλαντεύεται με την ίδια συχνότητα. Αυτοί οι κανονικοί τρόποι παλμικής
κίνησης είναι σημαντικοί επειδή, σύμφωνα με ένα γνωστό αποτέλεσμα στην
κλασσική μηχανική, οποιαδήποτε αυθαίρετη παλμική κίνηση ενός δικτυωτού
πλέγματος μπορεί να θεωρηθεί ως μια υπέρθεση των κανονικών τρόπων με
διάφορες συχνότητες. Από αυτή την άποψη, οι κανονικοί τρόποι είναι οι
στοιχειώδεις δονήσεις του δικτυωτού πλέγματος. Αν και οι κανονικοί
τρόποι είναι φαινόμενα σαν τα κύματα στην κλασσική μηχανική, αποκτούν
ορισμένες μοριακές ιδιότητες όταν αναλύεται το πλέγμα χρησιμοποιώντας
την κβαντομηχανική. Αυτά είναι τότε γνωστά ως φωνόνια. Τα φωνόνια είναι
μποζόνια που το σπιν τους είναι ακέραιος αριθμός.
|
