Nadzwyczajne zachowanie nadzwyczajnych materiałów
W ramach projektu IMAX (Improvement of materials with X-rays) naukowcy zastosowali skaningową mikrodyfrakcję rentgenowską w celu analizowania subtelnych zmian w strukturze nadprzewodnikowego materiału miedzianowego w wysokiej temperaturze. Zespół zbadał szczegółowo rozkład elektronów. Zamiast oczekiwanego równomiernego rozłożenia naukowcy zaobserwowali mieszaninę grudek cząstek o różnych kształtach i rozmiarach. Dalsze badania wykazały, że gęstość grudek była związana z ilością materiału domieszkowego wymaganego do utworzenia tego konkretnego nadprzewodnika. Rozkład rozmiaru grudek był zgodny z prawem potęgowym, co sugeruje, że są one wytwarzane w sposób zbliżony do fraktali. Ta fraktalna samoorganizacja wykazywała uderzające podobieństwo do niejednorodności przestrzennej innego nadprzewodzącego materiału miedzianowego w niższej temperaturze. Wyniki te sugerują, że droga do zrozumienia nadprzewodnictwa może być bardziej skomplikowana, niż początkowo sądzono. Naukowcy zwrócili również uwagę na możliwości, które nie były dotąd badane. Nadprzewodniki to układy, w których można pogodzić mechanikę kwantową z prawami klasycznej fizyki. Pola magnetyczne przenikają materiały nadprzewodzące w postaci drobnych wirów, które wykazują właściwości zarówno fizyki klasycznej, jak i kwantowej. Naukowcy z projektu IMAX badali je w celu zrozumienia jednego z najbardziej zagadkowych zjawisk we współczesnej fizyce materii skondensowanej: przejścia Motta. To złożone zjawisko jest kontrolowane przez interakcje wielu cząstek kwantowych i nie jest jasne, czy to zalicza się ono do fizyki klasycznej czy kwantowej. Ponadto przejście Motta, w którym przejście fazy ze stanu izolującego do stanu metalicznego jest wywoływane przez prąd elektryczny przepływający przez materiał, nigdy nie zostało bezpośrednio zaobserwowane. W tym kontekście naukowcy zbudowali system zawierający 90 000 nadprzewodzących wysepek niobu w nanoskali na warstwie złota. W tej konfiguracji wiry osiadały w zagłębieniach energii i sprawiały, że materiał zachowywał się jak izolator Motta. Po doprowadzeniu prądu elektrycznego o wystarczająco dużym natężeniu zaobserwowano bezpośrednio dynamiczne przejścia Motta, gdy układ zmienił się w metal przewodzący. Innymi słowy, wywołano przejście fazowe ze stanu zamkniętych wirów do stanu wędrujących wirów, gdy prąd wytrącił materiał ze stanu równowagi. Jest to system klasyczny, na którym można łatwo przeprowadzać doświadczenia i który można stosować w celu lepszego zrozumienia fizyki stanu nierównowagi. Co ciekawe, te ostre przejścia fazy obserwuje się także w warstwach tlenków złożonych po zwiększeniu ich grubości. Zespół projektu IMAX hodował cienkie warstwy tlenku perowskitu na materiale niemagnetycznym przy użyciu techniki nazywanej osadzaniem laserem pulsacyjnym. Poprzez dodanie szóstej warstwy określonego tlenku perowskitu materiał zmienił się z antyferromagnetycznego na ferromagnetyczny. Nigdy wcześniej nie zaobserwowano tak gwałtownego przejścia. Co ważne, naukowcy oczekują, że ta wyjątkowa cecha tlenku perowskitu jest ograniczona nie tylko do zmian w grubości warstwy, ale prawdopodobnie również do innych manipulacji, takich jak zastosowanie pól elektrycznych. Prowadzone są już dalsze badania mające na celu znalezienie zastosowania tego efektu w technologii informacyjnej i technologii wykrywania.
Słowa kluczowe
Nadprzewodnik, IMAX, RTG, materiał miedzianowy, przejście Motta, tlenek perowskitu
