Τήξη σε έναν υπεραγωγό χαμηλής θερμοκρασίας.

Από τη σελίδα του Physical Review Focus 22-Ιανουαρίου-2001

Θα μπορούσαμε ίσως να βλέπαμε πολύ περισσότερες υπεραγωγικές συσκευές υψηλής θερμοκρασίας εάν τα υλικά ήταν σε θέση να μεταφέρουν ένα μεγάλο ηλεκτρικό ρεύμα. Το μέγιστο, ή το "κρίσιμο ρεύμα" σε μιά αντίσταση εξαρτάται στενά από τις ιδιότητες των αποκαλούμενων δινών (vortices), μικροσκοπικούς στρόβιλους του ρεύματος που στροβιλίζονται γύρω σε έναν υπεραγωγό όποτε παρουσιάζεται ένα μεγάλο ρεύμα ή ένα μαγνητικό πεδίο. Οι δίνες μπορούν να διαμορφώσουν το δικτυωτό πλέγμα τους, ανεξάρτητα από την ατομική δομή του υλικού.

Τώρα, στο τεύχος του Physical Review Letters (PRL) της 22ας Ιανουαρίου, μια ομάδα φυσικών παρουσιάζει πρώτη σαφή δομική ένδειξη ότι το δικτυωτό πλέγμα δίνης μπορεί κυριολεκτικά να λειώσει ή να παγώσει (ν' αλλάξει φάση), ακριβώς όπως ο πάγος ή το νερό. Η ομάδα αυτή επίσης δείχνει ότι η μετάβαση φάσης είναι συγχρονισμένη με μια καλά γνωστή απότομη αύξηση στο κρίσιμο ρεύμα -- επιβεβαιώνοντας για άλλη μια φορά ότι ο χειρισμός της συμπεριφοράς της δίνης θα είναι ένα κλειδί στην αύξηση των ρευμάτων μέσω των υπεραγωγών. Την συμπεριφορά αυτή  την έδειξαν σε ένα κρύσταλλο Nb (νιοβίου) που αλλάζει φάση.

Στις φωτογραφίες: Σύμφωνα με αυτά τα στοιχεία διάθλασης των νετρονίων, το δικτυωτό πλέγμα των αποκαλούμενων μαγνητικών δινών σε έναν υπεραγωγό επιστρέφει από τη στερεά φάση (αριστερά, Τ = 4.1 Κ) στην υγρή φάση (δεξιά εικόνα, Τ = 4.8 Κ) κατά τη διάρκεια της θέρμανσης, όπως στον πάγο και στο νερό. Η διαμόρφωση δίνης έχει άμεσες επιπτώσεις στο ποσό του ηλεκτρικού ρεύματος που ένας υπεραγωγός μπορεί να μεταφέρει.

Όταν οι δίνες είναι παρούσες σε ένα υλικό, "ένας υπεραγωγός δεν είναι ένας υπεραγωγός," λέει ο Jeffrey Lynn του National Institute of Standards and Technology (NIST) στο Gaithersburg. Οι κινούμενες δίνες δημιουργούν την αντίσταση στην ροή του ρεύματος, έτσι η μηδενική αντίσταση εμφανίζεται μόνο όταν έχει το υλικό αρκετές "ρωγμές"
Καθώς ένας υπεραγωγός θερμαίνεται, τα κρίσιμα ρεύματα του ελαττώνονται, αλλά οι ερευνητές έχουν διαπιστώσει ότι πέρα από μια στενή περιοχή των θερμοκρασιών, το κρίσιμο ρεύμα αυξάνεται ξαφνικά και μειώνεται πάλι έπειτα. Αυτή η "κορύφωση" στο κρίσιμο ρεύμα προκαλείται πιθανά με μια "χαλάρωση" του θερμαίνοντος δικτυωτού πλέγματος δίνης, το οποίο επιτρέπει σύντομα περισσότερο ρεύμα να περάσει.

Στα τελευταία έτη, αυτό το δικτυωτό πλέγμα που χαλαρώνει αποδείχθηκε να είναι μια πραγματική μετάβαση τήξης σε ένα "υγρό δίνης" στους υπεραγωγούς σχετικά υψηλής θερμοκρασίας. Ο Sean Ling του Πανεπιστημίου Brown στην Providence, και οι συναδέλφοι του, ήλπιζε να θέσει αυτά τα ζητήματα μαζί με ένα συνδυασμό των δεξιοτήτων τους στην απεικόνιση της δίνης και τις μαγνητικές μετρήσεις ευαισθησίας. (Η ευαισθησία συσχετίζεται αρκετά με το κρίσιμο ρεύμα.) Έφτιαξαν ένα ευαισθητόμετρο ικανό να παρακολουθεί ένα δείγμα, ενώ αυτό ήταν επίσης στόχος των νετρονίων για να καθορίσουν τη δομή της δίνης.

Χρησιμοποιώντας για αυτό το σκοπό ένα κρύσταλλο του νιόβιου (ένας   υπεραγωγός χαμηλής θερμοκρασίας), η ομάδα μηδένισε μέσα στη στενή περιοχή της μέγιστης επίδρασης με το ευαισθητόμετρο τους και -- με τη διάθλαση νετρονίων -- άμεσα παρατήρησε την τήξη της δίνης, η οποία εμφανίστηκε ταυτόχρονα. Κατέδειξαν αυτό που ονομάζει ο Ling "σφραγίδες" της μετάβασης: υπερψυξη του υγρού και υπερθέρμανσης του στερεού. Ακριβώς όπως το άκρα καθαρό νερό μπορεί να παραμείνει υγρό κάτω από το σημείο ψύξης του -- μέχρι ένας μικρός κυματισμός ή ακαθαρσίες διεγείρουν την κρυστάλλωση -- η ομάδα έδειξε ότι οι υπέψυχρες δίνες έγιναν στερεές μόνο μετά από τη διατάραξη από ένα ταλαντευόμενο μαγνητικό πεδίο.

Η ανακοίνωση της ομάδας στο  PRL, είναι "μια γιγαντιαία συμβολή σε αυτόν τον τομέα," λέει ο George Crabtree του National Laboratory στο Ιλλινόις. "Είναι το πρώτο πειστικό πείραμα που δείχνει ότι δύο ευδιάκριτες  καταστάσεις μπορούν να δημιουργηθούν εκ νέου"   και προτείνει σαφώς μια μετάβαση φάσης. Στην πραγματικότητα, προσθέτει ο Lynn, αυτή η μετάβαση φάσης είναι μη υποκείμενη σε μερικές  από τις περιπλοκές των πιό γνωστών στερεών και των υγρών. "Αυτό θα μπορούσε να είναι ένα προτότυπο σύστημα για να μελετηθούν τα φαινόμενα τήξης γενικά," είπε ο ίδιος.