Учени са разгадали една от загадките на свръхпроводимостта

На 8 април тази година се навършиха 113 години от откриването на свръхпроводимостта. Дори след толкова години обаче загадката на явлението все още не е разгадана. Първата разбираема теория за свръхпроводимостта е създадена едва през 1957 година, но над 50 години по-късно изненадите са налице. Например, през 2009 година високотемпературната свръхпроводимост (HTSP) постави нов проблем – в свръхпроводниците над критичната температура беше открита необяснима от теорията енергийна разлика.

Пълното разбиране на физиката на свръхпроводимостта и по-специално на HTSP ще позволи да се търсят подходящите материали буквално с отворени очи, докато сега (и през всичките изминали 113 години) учените се движат предимно на случаен принцип.

Създадена преди половин век от учените Джон Бардън, Леон Купър и Робърт Шрайфър, „теорията BCS“ обяснява свръхпроводимостта чрез кохерентното поведение на двойки електрони – т.нар. двойки на Купър. Това е явление от квантов порядък, което превръща анализа и моделирането на свръхпроводимостта в сложна и трудно изпълнима задача – поне така беше до появата на новото откритие.

Екип от учени от Политехническия институт в Париж успя да разработи подход, който да позволи моделиране на поведението на електроните и двойките на Купър в материали от типа HTSP.

Според тях това е пробив, който трудно може да бъде подценен. Анализът е разкрил поне една мистерия, присъща на HTSP – как възниква псевдопропаст в купратите (медните оксиди, при които е открита свръхпроводимостта). Това е интересно и загадъчно нещо, което досега нямаше последователно обяснение (имаше само две хипотези).

Псевдопропастта е явление във физиката на твърдото тяло, при което в спектъра на електронните състояния на даден материал се появява пропаст/празнина (отсъствие на електронни състояния на определени енергийни нива) при условия, когато материалът не е в състояние на свръхпроводимост.

В класическите свръхпроводници енергийната празнина, в която се образуват квантово заплетени двойки на Купър от електрони възниква при температури под критичната (когато свръхпроводимостта става възможна). В случаите на HTSP енергийната празнина може да възникне над критичната температура. Това означава, че свръхпроводимостта може да възникне при високи температури, включително и при стайни температури.

За да симулират поведението на електроните в HTSP, учените са използвали опростен модел на Хъбард, към който са приложили статистическия метод Монте Карло. Моделът на Хъбард представя електроните като пешки на шахматна дъска, които могат да се преместват от едно квадратче на друго и да се подреждат на него (в материала) в зависимост от посоката на спина и дори могат да се намират на едно и също квадратче в случай на противоположно насочени спинове. Методът Монте Карло позволил на учените да анализират цялата „дъска“ едновременно, което доближава симулацията до естествен процес.

Преходът към режим на псевдопропаст беше представен чрез моделиране като пренареждане на електроните върху „шахматната дъска“ от лентово подредена структура към празноти, подредени сякаш в шахматен ред. Веднага щом изчезнеше междинната ивица, материалът придобиваше свойствата на псевдопропаст.

„Нашето откритие ще помогне на учените в стремежа им към свръхпроводимост при стайна температура – Свещеният Граал на физиката на кондензираната материя, който би позволил пренос на енергия без загуби, по-бързи машини за ядрено-магнитен резонанс и свръхбързи левитиращи влакове.“

казват авторите на изследването