Punkt wyjścia do badań nadprzewodnictwa

Fizycy z RIKEN znaleźli idealną platformę do badania zachowania elektronów w materii zbliżającej się do nadprzewodnictwa¹. Może to pomóc w opracowaniu nowych nadprzewodników pracujących w korzystniejszych temperaturach niż istniejące.

Nadprzewodniki przenoszą prąd elektryczny bez żadnego oporu i są stosowane na przykład w potężnych elektromagnesach i czujnikach magnetycznych. Jednak nadprzewodnictwo zazwyczaj występuje tylko w niskich temperaturach, dlatego badacze szukają nadprzewodników wysokotemperaturowych, które mogłyby otworzyć znacznie szerszy zakres zastosowań. Ostatecznym celem jest znalezienie materiałów nadprzewodzących w temperaturze pokojowej.

Nadprzewodnictwo w tak zwanych nadprzewodnikach klasycznych występuje, gdy elektrony są sprzężone. To sprzężenie zapobiega rozpraszaniu elektronów podczas przepływu przez materiał.

Niektóre materiały, zbliżając się do stanu nadprzewodnictwa, wchodzą w „fazę nematyczną”, w której elektrony ustawiają się w linie. „Nematyczność jest ściśle powiązana z nadprzewodnictwem” – wyjaśnia Yuya Kubota z Centrum RIKEN SPring-8. „Jednak dokładny związek między nematyką a nadprzewodnictwem nie jest w pełni poznany”.

Aby zbadać tę zależność, Kubota i jego współpracownicy wykorzystali materiał zwany selenkiem żelaza, który przewodzi prąd jedynie w bardzo niskiej temperaturze -265 stopni Celsjusza, zaledwie 8 stopni powyżej zera absolutnego. Jednak nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe można osiągnąć poprzez ciśnienie lub modyfikację składu chemicznego materiału, co może wskazać drogę do bardziej ogólnych strategii tworzenia nadprzewodników wysokotemperaturowych.

Selenek żelaza wchodzi w fazę nematyczną w temperaturze około -183 °C. Na tym etapie zmienia się układ atomów w sieci krystalicznej materiału i część elektronów może przyjmować różne stany energetyczne. Naukowcy od dawna debatują nad względnym znaczeniem tych czynników strukturalnych i elektronicznych w stymulowaniu infekcji nitkowatych.

Teraz zespół Kuboty znalazł odpowiedź. Badali bardzo cienką warstwę selenku żelaza na bazie glinianu lantanu, która tłumiła zmiany strukturalne podczas przejścia do fazy nematycznej.

Badacze zaobserwowali wszystkie cechy elektroniczne charakterystyczne dla przejścia do fazy nematycznej, chociaż struktura sieci pozostała taka sama. Wskazuje to, że faza nematyczna powstaje wyłącznie w wyniku zmian stanów energetycznych poszczególnych elektronów.

Naukowcy oczekują, że cienkowarstwowy materiał umożliwi im zbadanie zachowania elektronów w fazie nematycznej, bez czynnika komplikującego w postaci jakichkolwiek towarzyszących zmian strukturalnych. „Może to pomóc nam w głębszym zrozumieniu związku między nematyką i nadprzewodnictwem oraz mechanizmem nadprzewodnictwa” – mówi Kubota. „To z kolei może przyspieszyć badania nad nadprzewodnikami działającymi w temperaturze pokojowej”.