Otkrivene su nove mogućnosti za supravodljivost na sobnoj temperaturi


Isključivanje supravodljivosti SLAC

Kako bi proučavali supravodljive materijale u njihovom “normalnom”, nesupravodljivom stanju, znanstvenici obično isključuju supravodljivost izlaganjem materijala magnetskom polju, lijevo. Znanstvenici iz SLAC-a otkrili su da isključivanje supravodljivosti bljeskom svjetla, desno, proizvodi normalno stanje s vrlo sličnom temeljnom fizikom koje je također nestabilno i može ugostiti kratke bljeskove supravodljivosti na sobnoj temperaturi. Ovi rezultati otvaraju novi put prema proizvodnji supravodljivosti na sobnoj temperaturi koja je dovoljno stabilna za praktične uređaje. Zasluge: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

Znanstvenici otkrivaju da pokretanje supravodljivosti bljeskom svjetlosti uključuje istu temeljnu fiziku koja djeluje u stabilnijim stanjima potrebnim za uređaje, otvarajući novi put prema stvaranju supravodljivosti na sobnoj temperaturi.

Istraživači mogu naučiti više o sustavu tako da ga prebace u pomalo nestabilno stanje – znanstvenici to nazivaju “izvan ravnoteže” – a zatim promatraju što se događa dok se vraća u stabilnije stanje, slično kao što ljudi mogu naučiti više o sebi izlazeći iz svojih zona udobnosti.

Eksperimenti sa supravodljivim materijalom itrij barij bakrenim oksidom, ili YBCO, pokazali su da pod određenim uvjetima njegovo izbacivanje iz ravnoteže laserskim impulsom omogućuje supravodljivost – provođenje električne struje bez gubitaka – mnogo bliže sobnoj temperaturi nego što su istraživači očekivali. S obzirom da znanstvenici rade na supravodičima na sobnoj temperaturi više od tri desetljeća, ovo bi mogao biti značajan napredak.

Ali imaju li promatranja ovog nestabilnog stanja ikakvu važnost za to koliko je visoka temperatura supravodiči mogu funkcionirati u stvarnom svijetu, gdje namjene kao što su dalekovodi, maglev vlakovi, akceleratori čestica i medicinska oprema zahtijevaju njihovu stabilnost?

Studija objavljena u Napredak znanosti danas sugerira da je odgovor potvrdan.

“Ljudi su mislili da, iako je ova vrsta studije bila korisna, nije bila obećavajuća za buduće primjene”, rekao je Jun-Sik Lee, znanstvenik na Odjel za energetiku SLAC Nacionalni akceleratorski laboratorij i voditelj međunarodnog istraživačkog tima koji je proveo studiju.

“Ali sada smo pokazali da je fundamentalna fizika ovih nestabilnih stanja vrlo slična onoj stabilnih. Dakle, ovo otvara ogromne mogućnosti, uključujući mogućnost da se i drugi materijali mogu gurnuti u prolazno supravodljivo stanje svjetlom. To je zanimljivo stanje koje ne možemo vidjeti drugačije.”

Osoblje SLAC-a Jun-Sik Lee

Znanstvenik iz SLAC-a Jun-Sik Lee. Zasluge: Jun-Sik Lee/SLAC National Accelerator Laboratory

Kako izgleda normalno?

YBCO je spoj bakrenog oksida, također poznat kao kuprat, i član je obitelji materijala pronađenih 1986. godine koji provode električnu struju s nultim otporom na temperaturama daleko višim nego što su znanstvenici prije smatrali izvedivim.

Poput konvencionalnih supravodiča, koji su otkriveni prije više od 70 godina, YBCO prelazi iz normalnog u supravodljivo stanje kada se ohladi ispod određene prijelazne temperature. U tom trenutku, elektroni se spajaju i tvore kondenzat – neku vrstu elektronske juhe – koja bez napora provodi elektricitet. Znanstvenici imaju čvrstu teoriju o tome kako se to događa u starim supravodičima, ali još uvijek nema konsenzusa o tome kako to funkcionira u nekonvencionalnim kao što je YBCO.

Jedan od načina da se napadne problem je proučavanje normalnog stanja YBCO, što je samo po sebi dosta čudno. Normalno stanje sadrži niz složenih, isprepletenih faza materije, od kojih svaka ima potencijal pomoći ili spriječiti prijelaz na supravodljivost, koje se bore za dominaciju, a ponekad i preklapanje. Štoviše, čini se da u nekim od tih faza elektroni prepoznaju jedni druge i djeluju kolektivno, kao da se međusobno vuku.

To je prava zavrzlama, a istraživači se nadaju da će bolje razumijevanje baciti svjetlo na to kako i zašto ovi materijali postaju supravodljivi na temperaturama mnogo višim od teorijske granice predviđene za konvencionalne supravodične.

Teško je istražiti ova fascinantna normalna stanja na toplim temperaturama na kojima se pojavljuju, pa znanstvenici općenito hlade svoje YBCO uzorke do točke u kojoj postaju supravodljivi, a zatim isključuju supravodljivost kako bi vratili normalno stanje.

Prebacivanje se općenito vrši izlaganjem materijala magnetskom polju. Ovo je preferirani pristup jer ostavlja materijal u stabilnoj konfiguraciji – vrsti koja vam je potrebna za stvaranje praktičnog uređaja.

Supervodljivost se također može isključiti svjetlosnim pulsom, rekao je Lee. To stvara normalno stanje koje je malo van ravnoteže – izvan ravnoteže – u kojem se mogu dogoditi zanimljive stvari, sa znanstvenog stajališta. No činjenica da je nestabilan natjerala je znanstvenike da budu oprezni od pretpostavke da se sve što tamo nauče također može primijeniti na stabilne materijale poput onih potrebnih za praktičnu primjenu.

Valovi koji ostaju na mjestu

U ovoj studiji, Lee i njegovi suradnici usporedili su dva pristupa preklapanja – magnetska polja i svjetlosne impulse – usredotočujući se na to kako oni utječu na osebujnu fazu materije poznatu kao valovi gustoće naboja, ili CDW, koja se pojavljuje u supravodljivim materijalima. CDW su valoviti uzorci veće i manje elektronske gustoće, ali za razliku od oceanskih valova, oni se ne pomiču.

Dvodimenzionalni CDW otkriveni su 2012., a 2015. Lee i njegovi suradnici otkrili su novi 3D tip CDW-a. Obje vrste su usko isprepletene s visokotemperaturnom supravodljivošću i mogu poslužiti kao markeri prijelazne točke u kojoj se supravodljivost uključuje ili isključuje.

Kako bi usporedili kako CDW izgledaju u YBCO kada je njegova supravodljivost isključena sa svjetlom u odnosu na magnetizam, istraživački je tim napravio eksperimente na tri izvora rendgenske svjetlosti.

Prvo su izmjerili svojstva neporemećenog materijala, uključujući njegove valove gustoće naboja, na SLAC-ovom Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL).

Zatim su uzorci materijala izloženi visokim magnetskim poljima u sinkrotronskom postrojenju SACLA u Japanu i laserskoj svjetlosti u rendgenskom laseru slobodnih elektrona (PAL-XFEL) Laboratorija za ubrzanje Pohang u Koreji, tako da se promjene u njihovim CDW-ovima mogu izmjereno.

“Ovi eksperimenti su pokazali da izlaganje uzoraka magnetizmu ili svjetlu stvara slične 3D uzorke CDW-a”, rekao je znanstvenik iz SLAC-a i koautor studije Sanghoon Song. Iako se još uvijek ne razumije kako i zašto se to događa, rekao je, rezultati pokazuju da stanja izazvana bilo kojim pristupom imaju istu temeljnu fiziku. I sugeriraju da bi lasersko svjetlo moglo biti dobar način za stvaranje i istraživanje prolaznih stanja koja bi se mogla stabilizirati za praktične primjene – uključujući, potencijalno, supravodljivost na sobnoj temperaturi.

Istraživači iz Pohang Accelerator Laboratory i Pohang Sveučilišta znanosti i tehnologije u Koreji; Sveučilište Tohoku, RIKEN[{” attribute=””>SPring-8 Center and Japan Synchrotron Radiation Research Institute in Japan; and Max Planck Institute for Solid State Research in Germany also contributed to this work, which was funded by the DOE Office of Science. SSRL is a DOE Office of Science user facility.

Reference: “Characterization of photoinduced normal state through charge density wave in superconducting YBa2Cu3O6.67” by Hoyoung Jang, Sanghoon Song, Takumi Kihara, Yijin Liu, Sang-Jun Lee, Sang-Youn Park, Minseok Kim, Hyeong-Do Kim, Giacomo Coslovich, Suguru Nakata, Yuya Kubota, Ichiro Inoue, Kenji Tamasaku, Makina Yabashi, Heemin Lee, Changyong Song, Hiroyuki Nojiri, Bernhard Keimer, Chi-Chang Kao and Jun-Sik Lee, 9 February 2022, Science Advances.
DOI: 10.1126/sciadv.abk0832