Korkean lämpötilan suprajohtavuus tavanomaisempaa kuin odotettiin

Uudet mittaukset kumota aikaisemmat selittävät mallit

Ellipsometri © MPI kiinteiden olosuhteiden fysiikalle
lukea ääneen

Korkean lämpötilan suprajohtavuus löydettiin vasta seitsemäntoista vuotta sitten, ja siitä lähtien se on löytänyt lukuisia sovelluksia. Mutta sen taustalla oleva mekanismi on edelleen epäselvä. Stuttgartin Max Planckin kiinteiden olosuhteiden tutkimusinstituutin tutkijat ovat nyt osoittaneet, että toisin kuin nykyisin hallitsevat teoreettiset mallit ennustavat, korkean lämpötilan suprajohtavuus ei perustu epätavanomaiseen elektronien pariliitosmekanismiin.

Tämä saavutettiin korkean tarkkuuden mittaustekniikalla, infrapuna-ellipsometrialla synkrotronisäteilyn avulla, jonka tutkijat kehittivät monien vuosien työn aikana. Karlsruhen tutkimuskeskuksen synkrotronisäteilylähteen (ANKA) kanssa tehdyt havainnot viittaavat siihen, että korkean lämpötilan suprajohtavuus - muokatussa muodossa - voidaan selittää olemassa olevalla Bardeen-Cooper-Schrieffer-suprajohtavuuden teorialla (BCS-teoria). (Tiede, 30. huhtikuuta 2004).

Kriittinen lämpötila ratkaiseva

Normaaleilla metalleilla on rajallinen sähkövastus. Jos sen läpi virtaa virta, siihen liittyy huomattavia tappioita. Arvokasta energiaa muutetaan siten jätelämmöksi, mikä aiheuttaa usein huomattavia teknisiä ongelmia. Joistakin metalleista tulee kuitenkin suprajohteita ns. Siirtymälämpötilan alapuolella. Ne johtavat sähköä ilman vastusta, ts. Ilman häviöitä. Tällaiset suprajohtajat ovat olleet tunnettuja lähes sata vuotta, mutta niiden siirtymälämpötila on vain muutama aste yli miinus 273 asteen absoluuttisen nollan. Koska niiden jäähdytys on hyvin monimutkaista, tavanomaiset suprajohteet löytävät vain muutamia sovelluksia, esimerkiksi kelaissa erittäin voimakkaille magneettikenttiä varten.

JG Bednorzin ja KA Müllerin vuonna 1986 löytämä korkean lämpötilan suprajohtavuus kuparioksidiyhdisteessä aiheutti melko sekoitusta. Samaan aikaan siirtymälämpötilarekisteri tässä materiaaliluokassa on vähintään -139 ° C. Nämä lämpötilat voidaan saavuttaa jäähdyttämällä nestemäisellä typellä (-195 ° C) edullisesti ja ilman paljon teknistä vaivaa. Näiden materiaalien tuotannon ja teknisen kehityksen onnistumisista huolimatta korkean lämpötilan suprajohtavuuden ilmiön taustalla oleva mekanismi on kuitenkin epäselvä.

Elektroniparit vastustuksesta huolimatta

Tämä on erityisen hämmästyttävää, koska tavanomaisilla suprajohteilla on ollut vuodesta 1957 erittäin yksityiskohtainen ja onnistunut teoria. BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer) -teorian mukaan kaksi metallin vapaata elektronia kriittisen lämpötilan alapuolella muodostavat ns. Cooper-parit. Näillä elektronipareilla on täysin uudet kvanttimekaaniset ominaisuudet ja ne mahdollistavat häviöttömän virran kuljetuksen. Suurin ongelma Cooper-parien muodostumisessa on, että elektroneilla on negatiivinen sähkövaraus ja siksi ne hylkivät voimakkaasti. Jotta Cooper-parit voivat muodostua, tarvitaan houkutteleva voima, joka estää sähköstaattista heijastumista. Tavanomaisissa suprajohteissa tämä voima perustuu positiivisesti varautuneiden ytimien, ns. Fononien, koordinoituun vääristymiseen. Ne vähentävät sähköstaattista heijastumista tai jopa nostavat sitä. näyttö

Korkean lämpötilan suprajohteiden tapauksessa on kuitenkin suurelta osin osoitettu, että fononien aiheuttama houkutteleva vaikutus on aivan liian heikko selittämään näiden suprajohteiden erittäin korkea siirtymälämpötila. Tästä syystä viime vuosina on kehitetty joukko vaihtoehtoisia malleja korkean lämpötilan suprajohtavuuden selittämiseksi. Esimerkiksi jotkut tavanomaiset mallit olettavat, että voimakkaampaa vuorovaikutusta välittävät esimerkiksi elektronien spin-viritykset.

Lisäksi on olemassa myös useita epätavanomaisia ​​malleja, jotka eroavat pohjimmiltaan BCS: n kaltaisista malleista. Niillä oletetaan elektronien erittäin vahva vuorovaikutus, jolla on jo vakavia vaikutuksia kriittisen lämpötilan yläpuolella, toisin sanoen normaalitilassa. Näiden mallien ydin on oletus, että elektronit voivat välttää haitallisen vuorovaikutuksen muodostamalla Cooper-pareja.

Kevyt mittausapu

Erityisesti näiden materiaalien optisilla tutkimuksilla etsitään, perustuuko korkean lämpötilan suprajohtavuus sellaiseen epätavanomaiseen pariutumismekanismiin. Ellipsometria on sopiva menetelmä mittaavan paitsi tulevan ja heijastetun valonsäteen voimakkuuden muutoksen, myös sen vaihesiirron. Varausaineiden kineettisen energian muutoksen määrittämiseksi tarvitaan kuitenkin ellipsometriset mittaukset kauko-infrapuna-alueeseen saakka. Täsmälliset ellipsometriset mittaukset suhteellisen pienillä korkean lämpötilan hakkureiden näytteillä viime aikoihin asti eivät olleet mahdollisia tällä spektrialueella. Vain muutaman viime vuoden aikana Christian Bernhardin johtama tutkimusryhmä Max Planckin kiinteiden olosuhteiden tutkimuslaitoksessa on onnistunut kehittämään tarkan infrapuna-ellipsometrin synkrotronisäteen lähteellä, jota käytetään myös solid-state-tutkimuksen alalla Kauko-infrapunasäteily ja erittäin voimakas säteilylähde.

Parittelu vielä tavanomainen

Mittaukset vasta luodulla synkrotronisäteilylähteellä ANKA osoittivat, että korkean lämpötilan suprajohtavuudessa ei ole tällaista epätavanomaista elektronien pariliitosmekanismia. Ellipsometriset infrapunaspektrit ovat selvästi ristiriidassa korkean lämpötilan suprajohtavuuden epätavanomaisten mallien ennusteiden kanssa. Pikemminkin mittaukset todistavat, että suprajohtavassa tilassa olevien varauksen kantajien kineettinen energia ei ole pienentynyt epänormaalisti.

Päinvastoin, tutkijat jopa havaitsivat kineettisen energian vähäisen kasvun, kuten klassisen BCS-teoria ennustaa. Vastuussa tästä on elektronien sitoutuminen Cooper-pareihin, mikä rajoittaa yksittäisten elektronien liikkuvuutta. BCS-teorian yhteydessä tämä haitta on kuitenkin enemmän kuin houkutteleva vuorovaikutus.

(MPG, 05.05.2004 - NPO)