A magas hőmérsékletű szupravezetők rejtély

Az "Überdotierung" -ben lévő kupát viselkedése ellentmond az összes elméletnek

A magas hőmérsékletű szupravezetők általában réz-oxid-vegyületekből állnak, amelyeket elektron-adományozó szennyeződésekkel, például stronciummal van adalékolva. © Brookhaven Nemzeti Laboratórium
felolvasta

Magyarázatlan hatás: A magas hőmérsékletű szupravezetőkben újonnan felfedezett viselkedés ellentmond az összes elméletnek. Ha ezeket a kupátokat egyre több elektronforrással "lemerítik", akkor a szupravezető elektronok sűrűsége a várt helyett csökken. Miért ezek az elektronok eltűnnek, rejtélyes - és összeegyeztethetetlen a szupravezető képesség szokásos magyarázatával, amint azt a kutatók a "Nature" folyóiratban közlik.

Hagyományos szupravezető esetén az áram ellenállás nélkül áramlik, de csak az abszolút nulla közelében lévő hőmérsékleten. Az anyag a kristályrácsban az elektronok úgynevezett Cooper-párokat képeznek. Ebben a szokatlan kvantumállapotban szuperfolyadékként viselkednek, és ezért súrlódási veszteség nélkül mozoghatnak - az anyag szupravezetővé válik.

"Rejtvények több mint 30 éve"

De vannak olyan anyagok, amelyek szupravezetővé válnak még a "csak" mínusz 100 fokos hőmérsékleten is. Ezek az úgynevezett magas hőmérsékletű szupravezetők általában rézvegyületekből, úgynevezett kupátokból állnak, amelyeket idegen atomokkal kevernek össze. Ez a dopping további, szabadon mozgó elektronokat szolgáltat, amelyek a szokásosan nem vezető anyagot szupravezetővé teszik.

Eddig azonban vitatható, hogy pontosan hogyan működik a szupravezető képesség ezeken a kupátokon. "A szilárdtest fizika több mint 30 éve próbálja megoldani a magas hőmérsékletű szupravezetők rejtvényét" - magyarázza Ivan Bozovic, a Brookhaven Nemzeti Laboratórium tanulmányvezetője. Úgy gondolják, hogy a Cooper párok szorosabban kapcsolódnak egymáshoz, így a melegebb atomhálózat erősebb vibrációi nem rontják őket.

A népszerû elmélet szerint azonban a kupátok és a hagyományos szupravezetõk elektron viselkedésének ki kell egyenlõdnie, ha a kupát átmeneti hõmérsékletét tovább csökkenti az idegen atomokkal való „túladagolás”. kijelző

A párosított elektronokat, úgynevezett Cooper-párokat tekintik a szupravezető képesség alapjának. De a túladagolt kupáknál a vártnál eltérő módon viselkednek. Brookhaven Nemzeti Laboratórium

Kupratetermeléses atom az atomhoz

A tesztelés azonban nem más, mint egyszerű, mivel a kupátok szerkezete rendkívül összetett, és ha túl sok szennyeződést vesznek fel, kémiailag instabilokká válnak. "A kupatikus rácsos cellánként akár 50 atom is lehet, és az érintett elemek több száz különböző vegyületet képezhetnek" - magyarázza Bozovic. "Ez a különböző fázisok keverékéhez vezet."

Ennek elkerülése érdekében a kutatók kifejlesztettek egy módszert, amellyel réz-, lantán-oxigén- és stroncium-atomokat atomikusan szubsztrátként alkalmazhatnak. Ily módon a szükséges periodikus kristályszerkezet megmaradt még akkor is, ha stronciummal túladagoltak. A tudósok 2500 különböző kupátmintát generálnak, és elemezik mágneses és elektronikus tulajdonságaikat.

Váratlan reakció

Megmutatta, hogy minél több stroncium-atomot adtak a kutatók a kupátnak, annál inkább esett az átmeneti hőmérséklet - ami megfelel az elvárásoknak. A Cooper-párok sűrűségére gyakorolt ​​hatás azonban váratlanul váratlan volt. Ahelyett, hogy növekedne az elektronokat szállító stroncium mennyisége, egyre kevesebb lett, amint a kutatók beszámolnak.

A szuperfolyadék elektronpárok átmeneti hőmérséklete és sűrűsége protoratív módon viselkedik egymással. Brookhaven Nemzeti Laboratórium

"Megállapítottuk, hogy lineáris kapcsolat van a szupravezető átmeneti hőmérséklete és a szuperfolyadék sűrűsége között" - mondja Bozovic. Minél jobban csökken a szupravezető képességhez szükséges hőmérséklet, annál kevesebb elektronpárt talál az anyag. "A szupravezető képesség jelenlegi megértése szerint ez teljesen váratlan."

"Vissza az íróasztalhoz"

A kutatók szerint ez a meglepetés azt bizonyítja, hogy a magas hőmérsékletű szupravezetőkben más folyamatok is működnek, mint azt korábban gondoltuk. Ez viszont fontos nyomokat adhat arra vonatkozóan, hogy egyes anyagok miért válnak szupravezetővé még viszonylag magas hőmérsékleten is - ha megértjük a mechanizmust.

Jan Zaanen, a Leideni Egyetem, ezt egy kísérő kommentárban is látja: "A túlfolyadék sűrűsége és a kritikus hőmérséklet közötti egyszerű kapcsolat azt jelzi, hogy a túlméretezett kupátnak alapelvének kell lennie a munka során "Azt állítja. „A szakirodalomban azonban nincs olyan, ami fényt hozna ebbe a sötétségbe.” A fizikusoknak tehát nincs más választásauk, mint új magyarázatok keresése. (Nature, 2016; doi: 10.1038 / nature19061)

(DOE / Brookhaven Nemzeti Laboratórium, 2016.08.19. - NPO)