Nadprzewodniki przewodzą prąd bez oporu, ale większość z nich działa tylko kilka stopni powyżej zera bezwzględnego. Zespół fizyków z Monachium i Utrechtu wsłuchał się w słaby elektryczny trzask prądu wpływającego do materiału zwanego kupratem. Badacze twierdzą, że to przybliżyło ich do wyjaśnienia zagadki, która od prawie 40 lat dzieli naukowców.
Nadprzewodnik, który nie potrzebuje skrajnego chłodu
Pod koniec lat 80. XX wieku odkryto kuprraty, czyli materiały oparte na miedzi. Stają się nadprzewodnikami w wyższych temperaturach niż wcześniej znane substancje, takich, które da się osiągnąć za pomocą niedrogiego ciekłego azotu. Mimo to po blisko czterech dekadach fizycy nadal nie są zgodni, dlaczego te materiały zachowują się w ten sposób.
Nową pracę opublikowano w czasopiśmie „Science”. Prowadzili ją Milan Allan z Uniwersytetu Ludwiga Maximiliana w Monachium oraz Ingmar Swart z Uniwersytetu w Utrechcie.
Zagadka brakujących elektronów
Sedno sporu to tzw. pseudoprzerwa (ang. pseudogap). W temperaturach wyższych niż ta, w której kuprat staje się nadprzewodnikiem, część elektronów jakby znika: pomiary wykazują ich znacznie mniej przy energiach, przy których powinny występować. Allan ujął to tak:
„Pseudoprzerwa to zjawisko brakujących elektronów” – powiedział Milan Allan.
Według badacza różne metody pomiarowe potwierdzają, że elektrony się „gubią”, ale nikt nie wie dlaczego. Przez lata ścierały się dwie główne hipotezy:
- Elektrony utknęły w strukturze. Układają się we wzory, na przykład fale gęstości ładunku, a nadprzewodnictwo pojawia się niezależnie od nich.
- Elektrony tworzą pary. Pary elektronów, zwane parami Coopera, przenoszą prąd w nadprzewodniku. Jeśli pojawiają się już przed przejściem w stan nadprzewodzący, są jego warunkiem wstępnym. Można je porównać do poczekalni: pary już istnieją, ale jeszcze nie potrafią poruszać się zgodnie, w jednym rytmie.
Dlaczego rozstrzygnięcie było tak trudne
Problemem jest to, że w pseudoprzerwie „zlewa się” wiele różnych sygnałów doświadczalnych. Każdy przyrząd coś widzi, ale odczyty nie dają jednoznacznej odpowiedzi. Allan opisał je jako coś niespójnego i trudnego do uchwycenia. Potrzebna była metoda, która pozwoli zobaczyć pary elektronów bezpośrednio. Zespół z Monachium i Utrechtu uznał, że da się to zrobić, analizując drobny szum elektryczny towarzyszący przepływowi prądu do kupratu, zamiast polegać wyłącznie na pomiarach, które dotąd dawały niejasne wyniki.
Co to oznacza w praktyce
To badanie podstawowe, więc na efekty w sklepach czy w domach trzeba będzie poczekać, o ile w ogóle się pojawią. Jego waga jest raczej naukowa: dopóki nie wiadomo, skąd bierze się nadprzewodnictwo w kuprratach, trudno celowo projektować materiały, które działałyby w jeszcze wyższych temperaturach. Takie materiały mogłyby w przyszłości ułatwić zastosowania, z którymi nadprzewodniki są już kojarzone, na przykład w medycynie (aparaty do rezonansu magnetycznego) czy w energetyce. Na razie to jednak perspektywa, a nie obietnica.
Dla polskiego czytelnika to głównie informacja o tym, jak wygląda współczesna fizyka materii skondensowanej. Autorzy pracy pochodzą z ośrodków w Niemczech i Holandii, czyli z europejskiej nauki, w której uczestniczą też polskie instytuty. Z przytoczonych informacji nie wynika natomiast, by wynik miał bezpośredni wpływ na polskie czy unijne regulacje lub rynek. Kupraty pozostają materiałem badawczym, a pełna odpowiedź na pytanie o pseudoprzerwę wymaga dalszych eksperymentów.
Źródło: Ars Technica – „Physicists listened to electrical noise to crack a superconductor mystery”
