Superconductivitatea este un fenomen în care un circuit electric își pierde rezistența și devine extrem de eficient în anumite condiții. Există diferite moduri în care se poate întâmpla acest lucru, despre care se credea că sunt incompatibile. Pentru prima dată, cercetătorii descoperă o punte între două dintre aceste metode pentru a atinge supraconductivitatea. Aceste noi cunoștințe ar putea duce la o înțelegere mai generală a fenomenelor și, într-o zi, la aplicații.
Dacă sunteți ca majoritatea oamenilor, există trei stări ale materiei în viața de zi cu zi: solidă, lichidă și gazoasă. Este posibil să fiți familiarizați cu o a patra stare a materiei numită plasmă, care este ca un gaz care se încălzea, astfel încât toți atomii săi constituanți au fost spulberate, lăsând în urmă o mizerie super fierbinte de particule subatomice. Dar știați așa-numita a cincea stare a materiei la capătul complet opus al termometrului? Este cunoscut sub numele de condensat Bose-Einstein (BEC).
„Un BEC este o stare unică a materiei, deoarece nu este alcătuită din particule, ci din unde”, a declarat profesorul asociat Kozo Okazaki de la Institutul de Fizică al Statului Solid din cadrul Universității din Tokyo. „În timp ce se răcesc la cel mai apropiat zero absolut, atomii anumitor materiale se împrăștie prin spațiu. Această murdărire crește până când atomii, acum mai mult ca undele decât particulele, se suprapun, devenind indistinguibile unul de celălalt. Materia rezultată se comportă ca și cum ar fi o singură entitate cu proprietăți noi care nu aveau stări anterioare solide, lichide sau gazoase, cum ar fi superconducția. Până de curând BEC-urile supraconductoare erau pur teoretice, dar acum am demonstrat acest lucru în laborator cu un nou material pe bază de fier și seleniu (un element nemetalic). “
Imaginile cu lumină polarizată arată cercetătorilor comportamentul electronilor, reprezentat de cruci roșii, în probele de testare în circumstanțe diferite. Credit: © 2020 Okazaki și colab.
Este pentru prima dată când s-a verificat experimental că un BEC funcționează ca un superconductor; cu toate acestea, alte manifestări ale materiei sau regimurilor pot duce și la superconducție. Regimul Bardeen-Cooper-Shrieffer (BCS) este o dispoziție a materiei astfel încât, atunci când sunt răcite la zero aproape absolut, atomii constitutivi încetinesc și se aliniază, permițând electronii să treacă mai ușor. . Acest lucru face ca rezistența electrică a acestor materiale să fie eficientă la zero. Atât BCS, cât și BEC necesită condiții de frig și îngheț și ambele implică o reducere a atomilor. Dar, pe de altă parte, aceste regimuri sunt foarte diferite. Pentru o lungă perioadă de timp, cercetătorii au crezut că s-ar putea ajunge la o înțelegere mai generală a supraconductivului dacă s-ar putea constata că aceste regimuri se suprapun într-un fel.
„Demonstrarea supraconductivității BEC a fost un mijloc pentru atingerea unui scop; Speram să explorăm suprapunerea dintre BEC și BCS “, a spus Okazaki.” A fost extrem de provocator, dar singurul nostru aparat și metodă de observare a verificat-o: există o tranziție lină între aceste regimuri. Și asta sugerează o teorie de bază mai generală din spatele supraconducției.E un moment interesant pentru a lucra în acest domeniu.
Aceste linii de culoare nu sunt doar afișate, ci spun cercetătorilor sub ce temperatură, în acest caz aproximativ 10 kelvini, un eșantion prezintă un comportament supraconductor. Credit: © 2020 Okazaki și colab.
Okazaki și echipa sa au folosit metoda spectroscopiei fotoemisiilor bazate pe laser cu rezoluție energetică la temperatură scăzută pentru a observa comportamentul electronilor în timpul tranziției unui material de la BCS la BEC. Electronii se comportă diferit în cele două regimuri, iar schimbarea dintre ele ajută la umplerea unor lacune în imaginea generală a supraconducției.
Superconducția nu este doar o curiozitate de laborator; dispozitivele supraconductoare, cum ar fi electromagnetii, sunt deja utilizate în aplicații, colizorul mare al barei de protecție, cel mai mare accelerator de particule din lume, fiind unul dintre aceste exemple. Cu toate acestea, după cum sa explicat mai sus, acestea necesită temperaturi ultra-ridicate care interzic dezvoltarea de dispozitive supraconductoare pe care ne-am putea aștepta să le vedem în fiecare zi. Prin urmare, nu este surprinzător faptul că există un mare interes în găsirea unor modalități de a forma superconductori la temperaturi mai ridicate, poate într-o zi chiar și la temperatura camerei.
“Cu dovezi concludente din partea supraconductoarelor BEC, cred că va motiva alți cercetători să exploreze supraconductorii la temperaturi din ce în ce mai ridicate”, a spus Okazaki. „Poate părea ficțiune științifică deocamdată, dar dacă superconducția poate avea loc în apropierea temperaturii camerei, capacitatea noastră de a produce energie ar crește foarte mult și nevoile noastre de energie ar scădea”
Referință: „Superconductivitatea condensării Bose-Einstein indusă de dispariția statului inamic” de Takahiro Hashimoto, Yuichi Ota, Akihiro Tsuzuki, Tsubaki Nagashima, Akiko Fukushima, Shigeru Kasahara, Yuji Matsuda, Kohei Matsuura, Yuta Mizukami și Kozo Okazaki, 6 noiembrie 2020, Progrese științifice.
DOI: 10.1126 / sciadv.abb9052
Această cercetare este susținută de Granturi în ajutor pentru cercetare științifică (KAKENHI) (numerele de grant JP19H00651, JP19H01818, JP18H05227, JP19H00649, JP18H01177, JP18K13492, JP20H02600) și domenii inovatoare „Cristale lichide cuantice”) „Știința materialelor topologice” (Numărul grantului JP15H05852) al Societății japoneze pentru promovarea științei (JSPS). TH recunoaște bursa JSPS Research for Young Scientists (DC2).