Τα μυστικά της υπεραγωγιμότητας βγαίνουν στο φως

Από τη σελίδα PhysicsWeb, 25 Μαρτίου 2002

Τα νέα πειράματα στην ανακλαστικότητα των υπεραγωγών της υψηλής θερμοκρασίας θα μπορούσαν να βοηθήσουν να λυθεί το μυστήριο για το πώς λειτουργούν αυτά τα υλικά. Ο Dirk van der Marel του Πανεπιστημίου του Γκρόνινγκεν στην Ολλανδία και οι συναδέλφοι του, διαπίστωσαν ότι ένας υπεραγωγός με χαλκό έγινε "πιό γαλάζιος" όταν ψύχθηκε το υλικό κάτω από τη "θερμοκρασία μετάβασής του". Αυτό δείχνει μια αλλαγή στο ποσό της ενέργειας που απορροφάται από τον υπεραγωγό, και θα μπορούσε να βοηθήσει να εξηγηθεί η προέλευση της υπεραγωγιμότητας σε αυτό το υλικό (Science, 2002 295 2239).

Οι υπεραγωγοί είναι υλικά που χάνουν την ηλεκτρική αντίστασή τους κάτω από μια ορισμένη θερμοκρασία. Αυτό το φαινόμενο προκύπτει όταν υπερνικούν τα ηλεκτρόνια την αμοιβαία άπωση τους, για να σχηματίσουν ζεύγη Cooper, τα οποία δεν 'νιώθουν' την ηλεκτρική αντίσταση. Η θεωρία BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer) περιγράφει επιτυχώς τη συμπεριφορά πολλών υπεραγωγών, στους οποίους τα ηλεκτρόνια κερδίζουν την ενέργεια που χρειάζονται για να ζευγαρώσουν, μέσω των αλληλεπιδράσεων με δονήσεις του δικτυωτού κρυσταλλικού πλέγματος. Αλλά οι φυσικοί είναι αβέβαιοι πώς τα ηλεκτρόνια ζευγαρώνουν στους υπεραγωγούς των υψηλών θερμοκρασιών - ή αυτούς που έχουν χαλκό - , οι οποίοι ανακαλύφθηκαν μόνο το 1986.

Ο van der Marel και οι συνάδελφοι του μελέτησαν έναν υψηλής θερμοκρασίας υπεραγωγό που έχει φτιαχθεί από βισμούθιο, στρόντιο, ασβέστιο, χαλκό και οξυγόνο - γνωστό ως Bi-2212 - που έχει μια υπεραγωγική θερμοκρασία μετάβασης 88 Kelvin. Με την ανάλυση του φωτός που ανακλάστηκε από το υλικό πάνω και κάτω από τους 88 Kelvin - δηλαδή στις κανονικές και υπεραγωγικές καταστάσεις του - οι ερευνητές θα μπορούσουν  να πουν ποιες συχνότητες του φωτός απορρόφησε. Οι ενέργειες αυτών των φωτονίων συσχετίζονται με την ενέργεια συνδέσεως των ζευγαριών των ηλεκτρονίων στον υπεραγωγό.

Δεδομένου ότι το δείγμα Bi-2212 ψύχθηκε κάτω από τη θερμοκρασία μετάβασής του, η ομάδα διαπίστωσε ότι το φως που ανακλάστηκε από αυτό, μετατοπίστηκε προς υψηλότερες συχνότητες και μακρυά από την υπέρυθρη περιοχή του φάσματος. Αυτό σημαίνει ότι το υλικό απορροφά περισσότερο υπέρυθρο φως - δηλαδή φωτόνια με τις χαμηλότερες ενέργειες - όταν είναι στην υπεραγωγική κατάσταση του.

Σύμφωνα με τον van der Marel, αυτό δείχνει ότι τα ηλεκτρόνια στο Bi-2212 ζευγαρώνουν επειδή έχουν τη χαμηλότερη κινητική ενέργεια σε αυτήν την ρύθμιση. Θεωρεί ότι αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια σταθερή υπεραγωγική κατάσταση ακόμα κι αν η ηλεκτροστατική άπωση μεταξύ δύο ηλεκτρονίων τείνει να τα ωθήσει στο χωρισμό.

Εάν αυτή η μετατόπιση του φωτός προς υψηλώτερες συχνότητες εμφανιστεί σε όλους τους υπεραγωγούς της υψηλής θερμοκρασίας, θα απεδείκνυε ότι ο μηχανισμός BCS δεν είναι ο μόνος τρόπος για να επιτευχθεί η υπεραγωγιμότητα. Αλλά ο van der Marel υπογραμμίζει ότι αυτό δεν είναι ακόμα σαφές. "Είμαστε ακριβώς στην αρχή αυτού του τύπου πειράματος," είπε στο PhysicsWeb. "Προς το παρόν δεν μπορούμε να πούμε εάν αυτό είναι μια γενική ιδιότητα όλων των υπεραγωγών με χαλκό ή μια ιδιαιτερότητα του συστήματος Bi-2212".