Μια ομάδα Αμερικανών και Κινέζων ερευνητών ανακάλυψε περίεργη μεταλλική συμπεριφορά σε ένα υλικό στο οποίο το ηλεκτρικό φορτίο δε μεταφέρεται από ηλεκτρόνια, αλλά από κυματοειδείς οντότητες που ονομάζονται ζεύγη Cooper. Τέτοιου τύπου «εξωτικά» υλικά σχετίζονται με τους υπεραγωγούς υψηλών θερμοκρασιών και μοιράζονται θεμελιώδεις κβαντικές ιδιότητες με τις μαύρες τρύπες.
Τα «εξωτικά» υλικά δε φαίνεται να ακολουθούν τους παραδοσιακούς κανόνες ηλεκτρικής αγωγιμότητας και, ως εκ τούτου, έχουν τραβήξει την προσοχή των επιστημόνων τα τελευταία χρόνια καθώς θα μπορούσαν να παρέχουν θεμελιώδεις γνώσεις για τον κβαντικό κόσμο και ενδεχομένως να βοηθήσουν στην κατανόηση περίεργων φαινομένων όπως η υπεραγωγιμότητα υψηλών θερμοκρασιών.
Μια πρόσφατη ανακάλυψη που σχετίζεται με περίεργα μέταλλα δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature. Στο άρθρο, οι ερευνητές εξηγούν ότι ενώ τα ηλεκτρόνια ανήκουν σε μια κατηγορία σωματιδίων που ονομάζονται φερμιόνια, τα ζεύγη Cooper λειτουργούν ως μποζόνια, τα οποία ακολουθούν πολύ διαφορετικούς κανόνες από τα φερμιόνια.
«Έχουμε αυτούς τους δύο θεμελιωδώς διαφορετικούς τύπους σωματιδίων, των οποίων οι συμπεριφορές συγκλίνουν μυστηριωδώς. Συνεπώς οποιαδήποτε θεωρία προσπαθεί να εξηγήσει την περίεργη μεταλλική συμπεριφορά, δεν μπορεί να λαμβάνει υπόψη κανέναν τύπο σωματιδίου μεμονωμένα. Η προσέγγιση πρέπει να στήριζεται σε πιο θεμελιώδεις αρχές», επισημαίνει ο Jim Valles, ένας από τους συγγραφείς της μελέτης.
Παράξενη μεταλλική συμπεριφορά
Ο Valles εξήγησε ότι η «εξωτική» μεταλλική συμπεριφορά ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά πριν από 30 χρόνια σε μια κατηγορία υλικών που ονομάζονται cuprates. Αυτά τα υλικά περιέχουν οξειδίου του χαλκού και είναι πιο γνωστά ως υπεραγωγοί υψηλών θερμοκρασιών, γεγονός που σημαίνει ότι φέρουν ηλεκτρισμό με μηδενική αντίσταση σε θερμοκρασίες πολύ υψηλότερες από αυτές των κανονικών υπεραγωγών. Αλλά ακόμη και σε θερμοκρασίες πάνω από την κρίσιμη θερμοκρασία για την υπεραγωγιμότητα, τα cuprates λειτουργούν παράξενα σε σύγκριση με άλλα μέταλλα.
Καθώς η θερμοκρασία τους αυξάνεται, η αντίσταση των χαλκού αυξάνεται επίσης με αυστηρά γραμμικό τρόπο. Στα κανονικά μέταλλα, η αντίσταση αυξάνεται μόνο μέχρι κάποιου σημείου, ενώ στη συνέχεια καθίσταται σταθερή σε υψηλές θερμοκρασίες, σύμφωνα με αυτό που είναι γνωστό ως θεωρία υγρών του Fermi. Η αντίσταση προκύπτει όταν τα ηλεκτρόνια που ρέουν σε ένα μέταλλο, προσκρούουν στη δονούμενη ατομική δομή του μετάλλου, με συνέπεια τη σκέδαση τους. Η θεωρία υγρών του Fermi ορίζει έναν μέγιστο ρυθμό με τον οποίο μπορεί να συμβεί αυτή η σκέδαση.
Αλλά τα παράξενα μέταλλα δεν ακολουθούν τους κανόνες της θεωρίας υγρών του Fermi και κανείς δεν είναι σίγουρος πώς λειτουργούν. Αυτό που γνωρίζουν οι επιστήμονες είναι ότι η σχέση θερμοκρασίας-αντίστασης στα παράξενα μέταλλα φαίνεται να σχετίζεται με δύο θεμελιώδεις φυσικές σταθερές: τη σταθερά του Boltzmann, που αντιπροσωπεύει την ενέργεια που παράγεται από την τυχαία θερμική κίνηση και τη σταθερά του Planck, που σχετίζεται με την ενέργεια ενός φωτονίου.
«Για να προσπαθήσουν να καταλάβουν τι συμβαίνει σε αυτά τα μέταλλα, οι επιστήμονες έχουν εφαρμόσει μαθηματικές προσεγγίσεις παρόμοιες με αυτές που χρησιμοποιούνται για την κατανόηση των μαύρων τρυπών. Είναι σίγουρο ότι υπάρχει κάποια μορφή πολύ θεμελιώδους φυσικής σε αυτά τα υλικά», εξηγεί ο Valles.
Τα τελευταία χρόνια, ο Valles και οι συνεργάτες του, μελετούν την ηλεκτρική δραστηριότητα στην οποία οι φορείς φορτίου δεν είναι ηλεκτρόνια. Το 1952, ο νομπελίστας Leon Cooper ανακάλυψε ότι σε κανονικούς υπεραγωγούς (όχι σε αυτούς των υψηλών θερμοκρασιών που ανακαλύφθηκαν αργότερα), τα ηλεκτρόνια ενώνονται για να σχηματίσουν ζεύγη Cooper, τα οποία μπορούν να κινηθούν μέσα σε ένα ατομικό πλέγμα χωρίς αντίσταση. Παρά το γεγονός ότι σχηματίζονται από δύο ηλεκτρόνια, τα οποία είναι φερμιόνια, τα ζεύγη Cooper λειτουργούν συνήθως ως μποζόνια.
«Τα συστήματα φερμιονίων και μποζονίων συνήθως συμπεριφέρονται πολύ διαφορετικά. Σε αντίθεση με τα μεμονωμένα φερμιόνια, τα μποζόνια επιτρέπεται να μοιράζονται την ίδια κβαντική κατάσταση, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να κινούνται συλλογικά όπως τα μόρια του νερού στους κυματισμούς ενός κύματος», είπε ο Valles.
Συναρπαστικές ανακαλύψεις
Το 2019, ο Valles και οι συνάδελφοι του απέδειξαν ότι τα μποζόνια ζευγών Cooper μπορούν να παράγουν μεταλλική συμπεριφορά, που σημαίνει ότι μπορούν να φέρουν ηλεκτρισμό με κάποια αντίσταση. Αυτό από μόνο του ήταν ένα εκπληκτικό εύρημα γιατί στοιχεία της κβαντικής θεωρίας έδειχναν ότι το φαινόμενο δεν θα έπρεπε να είναι δυνατό. Για αυτήν την πιο πρόσφατη έρευνα, η ομάδα ήθελε να δει αν τα μέταλλα που εμφανίζουν μποζονικά ζεύγη Cooper, ήταν επίσης παράξενα μέταλλα.
Χρησιμοποίησαν ένα χαλκούχο υλικό (οξείδιο υττρίου-βαρίου-χαλκού), το οποίο εμφανίζει μοτίβο μικροσκοπικών οπών που προκαλούν τη μεταλλική κατάσταση των μποζονικών ζευγών Cooper. Η ομάδα εψύξε το υλικό ακριβώς πάνω από την υπεραγώγιμη θερμοκρασία του για να παρατηρήσει αλλαγές στην αγωγιμότητα του. Βρήκαν, όπως και στα φερμιονικά παράξενα μέταλλα, μια μεταλλική αγωγιμότητα που είναι γραμμική με τη θερμοκρασία, αλλά βασισμένη σε μποζονικά ζεύγη Cooper.
Οι ερευνητές λένε ότι αυτή η ανακάλυψη θα δώσει στους θεωρητικούς κάτι νέο για να ασχοληθούν, καθώς θα προσπαθήσουν να κατανοήσουν αυτή την παράξενη μεταλλική συμπεριφορά. «Είναι μια πρόκληση για τους θεωρητικούς να βρουν μια εξήγηση για αυτό που παρατηρούμε. Η δουλειά μας δείχνει ότι αν πρόκειται να μοντελοποιήσουν τη μεταφορά φορτίου σε αυτά τα μέταλλα, αυτό το μοντέλο πρέπει να ισχύει τόσο για τα φερμιόνια όσο και για τα μποζόνια - παρόλο που αυτοί οι τύποι σωματιδίων ακολουθούν θεμελιωδώς διαφορετικούς κανόνες».
Κατά την άποψη του Valles, η παρατηρούμενη «εξωτική» μεταλλική συμπεριφορά, είναι εξαιρετικά υποσχόμενη προς την κατεύθυνση κατανόησης της υπεραγωγιμότητας υψηλών θερμοκρασιών, η οποία έχει τεράστιες δυνατότητες σε εφαρμογές όπως τα δίκτυα μεταφοράς ισχύος χωρίς απώλειες και οι κβαντικοί υπολογιστές.
Με πληροφορίες από mining.com
