Odkrywanie tajemnic nadprzewodzenia
Właściwości elektroniczne nadprzewodników wysokotemperaturowych implikują brak tradycyjnego zachowania charakteryzującego ciecz Fermiego, stanowiącą standardowy model elektronów w metalach. Przy wysokich koncentracjach dziur elektronowych niektóre tlenki miedzi (miedziany) zbliżają się jednak do konwencjonalnego zachowania metali. Dziury elektronowe to puste miejsca o ładunku dodatnim, które powstają w sieci krystalicznej półprzewodników w miarę uwalniania elektronów w wyniku wzrostu temperatury. Badacze pracujący przy projekcie "Unconventional superconductors: from synthesis to understanding" (USSU) zajęli się ostatnio analizą nietypowych właściwości kilku związków miedzianowych. Materiały te mogą występować w różnych fazach, zależnie od fazy zachowując się jak izolator, nietypowy metal, nadprzewodnik lub zwykły metal. Zrozumienie mechanizmu powstawania i współistnienia tych faz pozwoliłoby zdefiniować ich podstawy fizyczne. To właśnie było główną motywacją zespołu projektu USSU do poznania diagramu przejść fazowych miedzianów. Jednym z najpoważniejszych wyzwań był fakt, że tylko nieliczne związki mogą być chemicznie domieszkowane we wszystkich fazach. Inną trudnością było zrozumienie szczegółów i znaczenia "pseudodziury" występującej po niedomieszkowanej stronie w fazie nadprzewodzącej. Wiele uwagi poświęcono badaniu, czy faza ta przyczynia się do nadprzewodzenia. W ramach badania USSU skoncentrowano się na miedzianach z dziurami domieszkowanymi, ponieważ mają one najwyższą temperaturę przejścia. Najważniejszym chyba odkryciem było stwierdzenie, że wysokiej czystości kryształy Hg1201 (HgBa2CuO4+δ) mogą zachowywać się w sposób zbliżony do cieczy Fermiego. Badacze doszli do wniosku, że nawet bardziej złożone strukturalnie miedziany, na przykład Y123 (YBa2Cu3O7-x), Y124 (YBa2Cu4O8) czy Tl-2201 (Tl2Ba2CuO6), są w rzeczywistości węzłowymi cieczami Fermiego. Po usunięciu pseudodziury możliwe było porównanie ich nietypowych właściwości z cechami ich odpowiedników z dziurami domieszkowanymi, a tym samym zidentyfikowanie aspektów wspólnych. Poza cechami niezwiązanymi z pseudodziurą badacze wykazali doświadczalnie, że opór elektryczny jest zależny od temperatury. Doświadczalnie potwierdzono również rezystywność zbliżoną do zachowania zwykłego metalu o cechach cieczy Fermiego po obu stronach fazy nadprzewodzącej. W toku doświadczeń badacze stwierdzili zadziwiające skalowanie kwantowe właściwości fizycznych wraz ze wzrostem temperatury i koncentracji dziur. Zjawisko to nie występuje w zwykłych metalach ze względu na górny limit energii układu elektronów — jest to tzw. energia Fermiego. To samo zjawisko sygnalizuje gwałtowne przejścia na diagramie fazowym kilku innych miedzianów. Wyniki projektu mogą przynieść korzyści nie tylko w zastosowaniach nadprzewodników, ale również w innych obszarach badań. Lepsze zrozumienie nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego miedzianów mogłoby usprawnić metody krystalograficznego tworzenia nowych związków. Opracowane w ten sposób związki mogłyby mieć jeszcze wyższe temperatury przejścia i pracować w układach o temperaturze pokojowej, znajdując liczne zastosowania w energetyce, elektronice i komunikacji.
Słowa kluczowe
Nadprzewodnik, elektryczność, miedziany, ciecz Fermiego, elektrony, dziury, kryształ, elektronika, komunikacja
