Δημιουργήθηκε ένα υπερμονωτικό, μια καινούργια θεμελιώδης κατάσταση της ύλης

Πηγή: ScienceDaily, 9 Απριλίου 2008

Το υπερμονωτικό είναι μια θεμελιώδης κατάσταση που βρέθηκε πρόσφατα στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne σε συνεργασία με διάφορα ευρωπαϊκά ινστιτούτα. Αυτή η ανακάλυψη ανοίγει νέες κατευθύνσεις στην έρευνα της φυσικής συμπυκνωμένης ύλης και ανοίγει το έδαφος για μια νέα γενεά μικροηλεκτρονικής.

Οι επικεφαλείς της διεθνούς ομάδας, Valerii Vinokur του Argonne και η ρωσίδα Tatyana Baturina, σχημάτισαν μια λεπτή ταινία (φιλμ) από νιτρίδιο του τιτανίου την οποία κατέψυξαν έπειτα κοντά στο απόλυτο μηδέν. Όταν προσπάθησαν να περάσουν ρεύμα μέσω του υλικού αυτού, οι ερευνητές παρατήρησαν ότι η αντίστασή του αυξήθηκε ξαφνικά κατά έναν παράγοντα 100.000, μόλις η θερμοκρασία έπεσε κάτω από ένα ορισμένο όριο. Η ίδια ξαφνική αλλαγή εμφανίστηκε, επίσης, όταν οι ερευνητές μείωσαν το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.

Για να εκτελέσουν το πείραμα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια συσκευή στην οποία η θερμοκρασία μπορεί να μειωθεί σε αρκετά χιλιοστά του Κέλβιν, πάνω από το απόλυτο μηδέν. Οι λεπτές υπερμονωτικές ταινίες τοποθετούνται έπειτα μέσα σε ένα ειδικό ψυγείο.

Όπως οι υπεραγωγοί που έχουν εφαρμογές σε πολλούς διαφορετικούς τομείς της φυσικής, από τους επιταχυντές έως τα τραίνα με μαγνητικό αιωρισμό (maglev) και έως τα μηχανήματα μαγνητικού συντονισμού MRI, τα υπερμονωτικά θα μπορούσαν τελικά να βρουν διάφορες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων των κυκλωμάτων, των αισθητήρων και ειδικών μονωτικών ασπίδων σε μπαταρίες.

Γιατί αν, παραδείγματος χάριν, μια μπαταρία αφεθεί εκτεθειμένη στον αέρα, το φορτίο θα διαφύγει στον αέρα σε λίγες μέρες, επειδή ο αέρας δεν είναι τέλειος μονωτής, σύμφωνα με τον Vinokur. "Εάν όμως  αφήσετε να περάσει ρεύμα μέσα από ένα υπεραγωγό, τότε το ρεύμα θα μείνει για πάντα. Αντιθέτως, εάν έχετε ένα υπερμονωτή τότε θα κρατήσει το φορτίο για πάντα," διευκρινίζει.

"Τα φιλμ (ταινία) από νιτρίδιο του τιτανίου, καθώς επίσης και τα φιλμ που προετοιμάζονται από μερικά άλλα υλικά, μπορούν να είναι είτε υπεραγωγοί είτε μονωτές ανάλογα με το πάχος της ταινίας," λέει ο Vinokur. "Εάν πάρετε το φιλμ που είναι από την μονωτική πλευρά της και μειώσετε τη θερμοκρασία ή το μαγνητικό πεδίο, τότε η ταινία γίνεται ξαφνικά υπερμονωτής."

Οι επιστήμονες θα μπορούσαν τελικά να σχηματίσουν υπερμονωτικές ταινίες που θα κάλυπταν υπεραγωγικά σύρματα, ώστε να μην χάνεται σχεδόν καμία ενέργεια ως θερμότητα. Μια μικροσκοπική έκδοση αυτών των υπεραγωγικών καλωδίων θα μπορούσε να βρει εφαρμογές και για πιο αποδοτικά ηλεκτρικά κυκλώματα.

Η ξαφνική αλλαγή του νιτριδίου του τιτανίου σε ένα υπερμονωτή γίνεται επειδή τα ηλεκτρόνια στο υλικό ενώνονται φτιάχνοντας ζεύγη ηλεκτρονίων Cooper. Όταν αυτά τα ζεύγη των ηλεκτρονίων Cooper ενώνονται μαζί σε μακριές αλυσίδες, επιτρέπουν την απεριόριστη κίνηση των ηλεκτρονίων και την εύκολη ροή του ρεύματος, δημιουργώντας έτσι έναν υπεραγωγό. Στα υπερμονωτικά υλικά, όμως, τα ζεύγη Cooper μένουν χωριστά το ένα από το άλλο, διαμορφώνοντας αυτο-κλειδωμένα εμπόδια κίνησης των ηλεκτρονίων.

"Στα υπερμονωτικά, τα ζεύγη Cooper αποφεύγουν το ένα το άλλο, δημιουργώντας τεράστιες ηλεκτρικές δυνάμεις που αντιτάσσονται στη διείσδυση του ρεύματος στο υλικό," εξηγεί ο Vinokur. "Είναι ακριβώς το αντίθετο του υπεραγωγού," πρόσθεσε.

Συμμετείχαν στην έρευνα επιστήμονες από τα πανεπιστήμια του Novosibirsk, της Ρωσίας, του Ρέγκενσμπουργκ και του Μπόχουμ στη Γερμανία και το διαπανεπιστημιακό κέντρο μικροηλεκτρονικής στη Λουβαίν του Βελγίου.

Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο Nature.