Poznawanie zależności temperaturowych nadprzewodnictwa
Nadprzewodniki wysokotemperaturowe to materiały, które przechodzą w stan nadprzewodzenia w temperaturach nieco bardziej zbliżonych do temperatury otoczenia, dzięki czemu uzyskanie takiego stanu jest łatwiejsze i tańsze. Pomimo dziesięcioleci badań i licznych postępów w pokrewnych dziedzinach nadal nie istnieje powszechnie akceptowana teoria wyjaśniająca zjawisko nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego. Zrozumienie tych mechanizmów mogłoby przyspieszyć prace rozwojowe i upowszechnienie w zastosowaniach praktycznych. Naukowcy pracujący nad finansowanym ze środków UE projektem "Iron-based superconductivity: Fermi surface and superconducting gap anisotropy" (FESUME) wykorzystali odkryte w 2008 r. nadprzewodniki wysokotemperaturowe na bazie żelaza do weryfikacji pewnych hipotez. Większość naukowców jest zdania, że ważną rolę odgrywa unikalna topologia matematycznie zdefiniowanej granicy związanej z właściwościami termicznymi, elektrycznymi, magnetycznymi i optycznymi nadprzewodników — jest to tzw. topologia powierzchni Fermiego. Powszechnie uznawana teoria przewiduje, że w powierzchni Fermiego pojawiają się dziury, które pozwalają uniknąć niestabilności, i to właśnie one powodują przejście układu w stan nadprzewodzenia. Aby lepiej poznać mechanizmy nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego, partnerzy projektu FESUME zajęli się szczegółowym badaniem powierzchni Fermiego i jej podatności na niestabilności. Do pomiarów powierzchni Fermiego i nadprzewodzącej struktury dziur w nadprzewodnikach na bazie arsenku żelaza 111 wykorzystano trzy wszechstronne i sprawdzone techniki o dużych możliwościach: efekt de Haasa-van Alphena, głębokość wnikania Londonów i pomiary ciepła właściwego. Uzyskane wyniki nie tylko wskazały szereg ważnych warunków nadprzewodzenia, ale też pozwoliły wykluczyć niektóre warunki zdające się nie odgrywać znaczącej roli. Po raz pierwszy uzyskano dowody termodynamiczne na istnienie zjawiska kwantowego związanego z przechodzeniem do fazy nadprzewodzenia (kwantowego punktu krytycznego), które wpływa na większą część powierzchni Fermiego. Zjawisko to powoduje zwiększenie masy kwazicząstek. Wyniki podkreślają rolę renormalizacji masy w podnoszeniu temperatury krytycznej nadprzewodzenia w nadprzewodnikach na bazie żelaza. W niektórych układach zjawisku temu towarzyszą kwantowe niestabilności krytyczne. Projekt FESUME dokonał przełomowych odkryć na drodze do poznania od dawna poszukiwanych odpowiedzi na kluczowe pytania dotyczące mechanizmów nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego. Lepsze zrozumienie badanych zjawisk pozwoli podejść z zupełnie nowej strony do poszukiwania nowych materiałów do nadprzewodników przyszłości, a tym samym przyspieszyć innowacje i prace rozwojowe.
Słowa kluczowe
Nadprzewodnictwo, nadprzewodnik wysokotemperaturowy, na bazie żelaza, powierzchnia Fermiego, struktura dziur, krytyczne niestabilności kwantowe
