Μελέτη μπορεί να εξηγήσει τις αποκλίσεις στις υπεραγωγικές θερμοκρασίες

Πηγή: ScienceDaily, 12 Μαΐου 2008

Νέα πειράματα στο πανεπιστήμιο του Cornell επιβεβαίωσαν τη θεωρία ότι οι διαφορές στην απόσταση μεταξύ των ατόμων στους υπεραγωγούς με χαλκό, είναι υπεύθυνες για τις αποκλίσεις στη θερμοκρασία κατά την οποία αρχίζει το υλικό να γίνεται υπεραγώγιμο. Η καλύτερη κατανόηση αυτής της διαδικασίας θα μπορούσε να οδηγήσει σε υπεραγωγούς που να λειτουργούν σε υψηλότερες θερμοκρασίες.

Οι κρύσταλλοι από χαλκό αποτελούνται από στρώματα οξειδίου του χαλκού μέσα στα οποία παρεμβάλλονται στρώματα άλλων ατόμων. Τα άτομα του χαλκού και οξυγόνου σχηματίζουν συνήθως μια πυραμίδα με το άτομο του οξυγόνου να βρίσκεται στην κορυφή, που βρίσκεται σε ένα παρακείμενο στρώμα. Η έρευνα του Cornell τώρα δείχνει ότι άλλα άτομα που σπρώχνουν αυτό το οξυγόνο μακριά από τη θέση του, δημιουργούν την υπεραγωγιμότητα.

Οι υπεραγωγοί είναι υλικά που άγουν το ρεύμα με ουσιαστικά καμία αντίσταση. Ενώ πολλοί υπεραγωγοί λειτουργούν μόνο σε θερμοκρασίες λίγους βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν και πρέπει να ψυχθούν με υγρό ήλιο, μια κατηγορία οξειδίων του χαλκού περιέχουν άτομα από κάποιο υλικό πρόσμιξης άλλων στοιχείων, εκτός από το χαλκό και το οξυγόνο, γίνονται υπεραγωγοί σε θερμοκρασίες που κυμαίνονται από 26 έως 148 Kelvin (-248 έως -125 Κελσίου), και μπορούν να ψυχθούν με το λιγότερο ακριβό υγρό άζωτο. Αλλά κανένας δεν έχει εξηγήσει μέχρι τώρα τη μεγάλη διαφορά στις υπεραγωγικές θερμοκρασίες, οι οποίες ποικίλλουν ανάλογα με τους συνδυασμούς των προσμίξεων που προστίθενται στο οξείδιο του χαλκού.

Μέσα στους περισσότερους κρυστάλλους από οξείδια του χαλκού, τα άτομα του χαλκού και οξυγόνου διευθετούνται σε πυραμίδες, με ένα άτομο οξυγόνου στην κορυφή. Οι θεωρητικοί έχουν προτείνει ότι η υπεραγωγιμότητα μπορεί να τροποποιηθεί όταν οι προσμίξεις αλλάζουν τη δομή του κρυστάλλου και ωθούν αυτό το άτομο στην κορυφή κάτω ή πλάγια, μεταβάλλοντας τον τρόπο που τα ηλεκτρόνιά του αλληλεπιδρούν με αυτά τα άτομα στη βάση της πυραμίδας.

Για να εξετάσει αυτήν την ιδέα, μια ομάδα του Cornell με επικεφαλής τον James Slezak, μελέτησε ένα οξείδιο του χαλκού του οποίου η κρυσταλλική δομή ποικίλλει στον τρόπο που επαναλαμβάνεται σε όλο τον κρύσταλλο. Χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο που μπορεί να δει υποατομικές αποστάσεις, οι ερευνητές σύγκριναν μια φυσική εικόνα που έδειχνε τις αποστάσεις μεταξύ των ατόμων, που περιοδικά αυξάνονταν και μειώνονταν στον κρύσταλλο, με τα ηλεκτρικά σήματα που αντιπροσωπεύουν το ζευγάρωμα των ηλεκτρονίων. Πράγματι, το ζευγάρωμα των ηλεκτρονίων ήταν ισχυρότερο εκεί όπου το άτομο του οξυγόνου είχε συμπιεστεί. Η θεωρία λέει ότι η υπεραγωγιμότητα συμβαίνει όποτε τα ηλεκτρόνια ζευγαρώνουν, και μπορούν έτσι να κινηθούν μέσα στον κρύσταλλο πιο ελεύθερα από τα μοναχικά ηλεκτρόνια.

"Αυτό αποδεικνύει ότι το ζευγάρωμα είναι μια ιδιότητα της κάθε κρυσταλλικής μονάδας, κι όχι μια γενική ιδιότητα του υλικού," λένε οι επιστήμονες.

Οι ερευνητές επίσης έλεγξαν ότι το ζευγάρωμα των ηλεκτρονίων είναι πιο πιθανή κοντά στα άτομα του υλικού πρόσμιξης, σε απολύτως τυχαίες θέσεις μέσα στον κρύσταλλο. Και τα δύο αποτελέσματα πραγματοποιούνται συγχρόνως, και τα δύο προκύπτουν από τη συμπίεση της πυραμίδας από χαλκό και οξυγόνο, διευκρινίζουν οι φυσικοί.

Η υπεραγωγιμότητα είναι μια κατάσταση ορισμένων υλικών που έχουν ικανότητα να άγουν τον ηλεκτρισμό με μηδενική αντίσταση. Αυτή η ιδιότητα εξαφανίζεται πάνω από μια θερμοκρασία χαρακτηριστική του κάθε υλικού (κρίσιμος θερμοκρασία ή Tc), ή κάτω από ένα μαγνητικό πεδίο ισχυρότερο από μια κρίσιμο τιμή (Hc) ή όταν υπόκειται προς μια πυκνότητα ρεύματος μεγαλύτερη από την χαρακτηριστική του κρίσιμη τιμή (Jc). Η κατάσταση της υπεραγωγιμότητας είναι μια μακροσκοπική κβαντική κατάσταση και υπεύθυνα για την μετάβαση του υλικού από την αγώγιμη στην υπεραγώγιμη κατάσταση είναι όχι τα γνωστά κανονικά ελεύθερα ηλεκτρόνια, αλλά τα ηλεκτρόνια που έχασαν την ιδιότητα να επηρεάζονται από τις δυνάμεις τριβής κι έτσι γίνονται υπεραγώγιμα ηλεκτρόνια. Ο σχηματισμός ζευγών ηλεκτρονίων, ή ζεύγη Cooper όπως λέγονται, είναι αυτό που τελικά οδηγεί στην υπεραγωγιμότητα.