Fizycy starają się wyjaśnić efekt nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego

     Mimo wysiłków badaczy nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe pozostaje zagadką. Przez ostatnie kilka lat wielu fizyków pracowało nad koncepcją uporządkowanych linii ładunków elektrycznych, znanych jako pasy, które mogłyby powodować bezstratny przepływ prądu oraz inne dziwne efekty. W kwietniu dwa zespoły ogłosiły eksperymentalne potwierdzenie poprawności tego modelu dla nadprzewodnika znanego jako YBCO (tlenek itrowo-barowo-miedziany). Jak to często się zdarza w tej dziedzinie, o znaczeniu rezultatów gorąco się dyskutowało i niespełna miesiąc później trzeci zespół przedstawił prace zaprzeczające teorii pasów.

     Nadprzewodniki wysokotemperaturowe są wielowarstwowymi kryształami ceramicznymi. Zjawisko nadprzewodnictwa zachodzi w płaszczyznach atomów miedzi i tlenu położonych pomiędzy płaszczyznami pozostałych pierwiastków, takich jak itr i bar. Przypomina to kanapkę z szynką. Gęstość ładunków elektrycznych, które mogą się swobodnie poruszać w warstwie tlenku miedzi - czyli szynki - zależy od przepisu, który posłużył do pieczenia chleba. W przypadku YBCO nadmiar tlenu w warstwie z tlenku itrowo-barowego (chleba) absorbuje elektrony z tlenku miedzi (szynki), pozostawiając dziury, które można uważać za cząstki naładowane dodatnio.

     Nadprzewodnictwo występuje, gdy dziury tworzą luźno powiązane pary, które podlegają kondensacji Bosego-Einsteina - wszystkie znajdują się w tym samym stanie kwantowym, tworząc kondensat o właściwościach cieczy. Takie kondensaty poruszają się w całości (en masse) bez tarcia. W zwykłych nadprzewodnikach występują kondensaty par elektronów, które łączą się w pary na skutek dobrze znanych oddziaływań, ale nikt nie wie, co powoduje łączenie się w pary dziur w nadprzewodnikach bazujących na miedzi.

     Jeśli nie ma dziur, warstwy miedziowe są jak szachownica, na której każdy kwadrat odpowiada atomowi miedzi z jego wewnętrznym polem magnetycznym skierowanym w określoną (czarny kwadrat) lub przeciwną stronę (biały kwadrat). Pojedyncze dziury wprowadzone do tego zorganizowanego systemu nie mogą poruszać się swobodnie, ponieważ ich ruch zaburzałby organizację szachownicy. Jeśli w warstwie jest wystarczająco dużo dziur, mogą się one spontanicznie gromadzić wzdłuż rzędów szachownicy i tworzyć pasy ładunku. Dziury poruszają się łatwo wzdłuż takich pasów, gdyż nie wpływa to na stan uporządkowania szachownicy. Pasy o ustalonym położeniu nie wytwarzają par nadprzewodzących dziur, ale mogą to robić pasy dynamiczne meandrujące po szachownicy.

     Takie pasy powinny również nieznacznie przesuwać atomy w warstwach miedziowych. Thirumalai Venkatesan z University of Mary-land i jego współpracownicy strzelali jonami helu poprzez kanały utworzone przez rzędy atomów w płaszczyznach kryształu i zaobserwowali dowody takich przesunięć. W krysztale występował spodziewany efekt, potwierdzający powstawanie pasów powyżej temperatury nadprzewodnictwa i generowanie par dziur w niższych temperaturach. Herbert A. Mook z Oak Ridge National Laboratory wraz z kolegami znalazł bezpośrednie dowody meandrowania pasów. Badacze strzelali neutronami w YBCO i obserwowali obraz dyfrakcyjny charakterystyczny dla jednowymiarowych struktur fluktuujących w materiale.

     Zwolennik teorii pasów Jan Zaanen z Uniwersytetu w Lejdzie w Holandii twierdzi, że te rezultaty "przekonująco obalają bardziej tradycyjne wyjaśnienia" zachowania się YBCO, które oparte są na koncepcji słabo oddziałujących zbiorowych pobudzeń lub quasi--cząstek zachowujących się bardzo podobnie jak pojedyncze elektrony lub dziury. Takie quasi-cząstki są zasadniczym elementem teorii cieczy Fermiego, która daje fizykom podstawy rozumienia metali, półprzewodników i normalnych nadprzewodników. Fizycy od dawna wiedzieli, że dla miedziowców teoria cieczy Fermiego musi być zmodyfikowana. Jednakże według Zaanena drobne modyfikacje nie mogą wyjaśnić efektów zaobserwowanych przez Venkatesana i Mooka.

     Lecz trzeba być ostrożnym: najbardziej oczywiste dowody pasów w YBCO występują w kryształach, które mają mniejszą niż optymalna liczbę dziur potrzebnych do stabilnego nadprzewodnictwa. Gdy Philippe Bourges z Laboratorium im. Leona Brillouina we Francji i jego zespół rozpraszali neutrony z kryształów optymalnie domieszkowanego YBCO, otrzymali rezultaty zgodne z konwencjonalnym quasi-cząstkowym opisem i niezgodne z teorią prostych pasów. Bourges sądzi, że dane otrzymane z eksperymentów z YBCO o niedostatecznym domieszkowaniu ciągle mają luki dopuszczające alternatywne wyjaśnienia. Mówi, że pasy nie mają "wielkiego znaczenia dla mechanizmu nadprzewodnictwa". W tej chwili zażarta debata trwa i Venkatesan sugeruje, że ważnym procesem jest formowanie wyróżnionych magnetycznych (szachownicy) i naładowanych obszarów, które w optymalnie domieszkowanych nadprzewodnikach mogą mieć kształt inny niż pasy. Graham P. Collins

Powrót do spisu