Αρχικά, οι επιστήμονες είδαν αυθόρμητα δισδιάστατες δεξαμενές ηλεκτρονίων να εμφανίζονται σε ένα τρισδιάστατο υπεραγώγιμο υλικό

Ο σχηματισμός ενός δισδιάστατου υλικού, πάχους μερικών ατόμων, είναι συχνά μια επίπονη διαδικασία που απαιτεί εξελιγμένο εξοπλισμό. Έτσι, οι επιστήμονες εξεπλάγησαν που βλέπουν 2D δεξαμενές να εμφανίζονται μέσα σε έναν 3D υπεραγωγό – ένα υλικό που επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να ταξιδεύουν με απόδοση 100% και μηδενική αντίσταση – χωρίς καμία επαγωγή.

Μέσα σε αυτές τις δεξαμενές, τα υπεραγώγιμα ηλεκτρόνια συμπεριφέρθηκαν σαν να παγιδεύτηκαν μέσα σε ένα πολύ λεπτό, πλακοειδές επίπεδο, μια κατάσταση που τους κάλεσε κάπως να περάσουν σε μια άλλη διάσταση, όπου ισχύουν διαφορετικοί κανόνες κβαντικής φυσικής.

“Αυτό είναι ένα εκπληκτικό παράδειγμα αναδυόμενης συμπεριφοράς, η οποία είναι συχνά δύσκολο ή αδύνατο να αναπαραχθεί προσπαθώντας να την κατασκευάσει από το μηδέν”, δήλωσε ο Χάρι Μανουχάρα, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ και ερευνητής στο Ινστιτούτο Επιστήμης Υλικών και Ενέργειας του Στάνφορντ ). Στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή SLAC του DOE, το οποίο ηγήθηκε της έρευνας.

Είπε, «Είναι σαν να τους δίνεται η δυνατότητα υπεραγωγής των τρισδιάστατων ηλεκτρονίων που επιλέγουν να ζήσουν σε έναν δισδιάστατο κόσμο».

Η ερευνητική ομάδα χαρακτήρισε αυτό το νέο φαινόμενο “υπερδιάστατη υπεραγωγιμότητα”, και σε μια έκθεση που δημοσιεύθηκε στο Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών Σήμερα, προτείνουν ότι αυτή είναι η τρισδιάστατη μέθοδος Υπεραγωγοί Αναδιοργανώνονται πριν υποστούν μια ξαφνική μεταμόρφωση σε μια κατάσταση απομόνωσης, στην οποία τα ηλεκτρόνια περιορίζονται στα αρχικά τους άτομα και δεν μπορούν να κινηθούν καθόλου.

“Αυτό που βρήκαμε ήταν ένα σύστημα στο οποίο τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονται με απροσδόκητους τρόπους. Αυτή είναι η ομορφιά της φυσικής”, δήλωσε η Carolina Parra, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο SLAC και το Stanford κατά τη στιγμή της μελέτης που πραγματοποίησε τα πειράματα που οδήγησαν στην οπτικοποίηση αυτού . Ένα ενδιαφέρον αποτέλεσμα. «Ήμασταν πολύ τυχεροί που βρήκαμε αυτήν τη συμπεριφορά».

Τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονται παράξενα

Αν και η υπεραγωγιμότητα ανακαλύφθηκε πριν από έναν αιώνα, η χρησιμότητά της περιορίστηκε από το γεγονός ότι τα υλικά έγιναν υπεραγωγιμότητα μόνο σε θερμοκρασίες κοντά σε αυτές του βαθιού διαστήματος.

Έτσι, η ανακοίνωση το 1986 ότι οι επιστήμονες ανακάλυψαν μια απροσδόκητη και νέα κατηγορία υπεραγωγών υλικών που λειτουργούν σε πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες – αν και ακόμα πολύ κρύα – πυροδότησε ένα τσουνάμι έρευνας που συνεχίστηκε μέχρι σήμερα, με στόχο να ανακαλύψει πώς λειτουργούν τα υλικά και Οι εκδόσεις που λειτουργούν σε θερμοκρασία δωματίου πιο κοντά σε εφαρμογές όπως ηλεκτροφόρα καλώδια και μαγνητικά τρένα υψηλής απόδοσης.

Αυτή η μελέτη ξεκίνησε με έναν υπεραγωγό υψηλής θερμοκρασίας που ονομάζεται BPBO για τα τέσσερα ατομικά του συστατικά – βάριο, μόλυβδο, βισμούθιο και οξυγόνο. Συντέθηκε στο εργαστήριο του καθηγητή του Στάνφορντ και του ερευνητή SIMES Ian Fischer από την Paula Giraldo-Gallo, PhD. Μαθητής εκείνη την εποχή.

Οι ερευνητές εκεί τους υπέβαλαν επίσης σε δοκιμές ρουτίνας, συμπεριλαμβανομένου του προσδιορισμού της θερμοκρασίας μετάβασης στην οποία περιστράφηκαν μεταξύ μιας φάσης υπεραγωγής και μιας μονωτικής φάσης – όπως η αλλαγή νερού σε ατμούς ή πάγο – συνειδητοποίησαν ότι τα δεδομένα τους έδειξαν ότι τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονται σαν να παγιδεύτηκαν σε ένα εξαιρετικά λεπτό, στρώματα ή δισδιάστατες γραμμές μέσα στο υλικό. Αυτό ήταν ένα παζλ, επειδή το BPBO είναι ένας τρισδιάστατος υπεραγωγός του οποίου τα ηλεκτρόνια είναι συνήθως ελεύθερα να κινούνται προς οποιαδήποτε κατεύθυνση θέλετε.

Εντυπωσιασμένη, η ομάδα του Manoharan πήρε μια πιο προσεκτική ματιά με ένα μικροσκόπιο σήραγγας σάρωσης ή STM – ένα όργανο που μπορεί να εντοπίσει και να μετακινήσει μεμονωμένα άτομα στα λίγα ανώτερα ατομικά στρώματα της ύλης.

Αλληλεπιδρώντας λίμνες

Ανακάλυψαν ότι οι γραμμές φαινόταν να μην έχουν καμία σχέση με τον τρόπο οργάνωσης των ατόμων της υπόθεσης ή με τις μικρές προεξοχές και τις καταθλίψεις στην επιφάνειά τους.

“Αντ ‘αυτού, οι γραμμές ήταν στρώματα στα οποία τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρθηκαν σαν να περιορίζονταν σε δισδιάστατες, σαν δεξαμενές περιοχές του υλικού”, δήλωσε η Parra. “Η απόσταση μεταξύ των δεξαμενών είναι αρκετά μικρή ώστε τα ηλεκτρόνια να” βλέπουν “και να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους με τρόπο που τους επιτρέπει να κινούνται χωρίς αντίσταση, το οποίο είναι το χαρακτηριστικό της υπεραγωγιμότητας.”

Οι δισδιάστατες λακκούβες εμφανίστηκαν όταν οι επιστήμονες προσαρμόζουν προσεκτικά τη θερμοκρασία και άλλες συνθήκες προς το σημείο μετάβασης όπου ο υπεραγωγός θα γίνει μονωτής.

Οι παρατηρήσεις τους ταιριάζουν απόλυτα με τη θεωρία των “αναδυόμενων κόκκων ηλεκτρονίων” στους υπεραγωγούς, η οποία αναπτύχθηκε από τον Nandini Trivedi του Πανεπιστημίου του Οχάιο και τους συναδέλφους του.

“Οι προβλέψεις που κάναμε είναι ασυμβίβαστες με το τυπικό μοντέλο υπεραγωγών”, δήλωσε ο Trivedi. «Συνήθως, όσο πιο ισχυρός είναι ο υπεραγωγός, τόσο περισσότερη ενέργεια χρειάζεται για να σπάσει ο δεσμός μεταξύ ζευγών υπεραγωγών ηλεκτρονίων – ένας παράγοντας που ονομάζουμε ενεργειακό κενό. Αλλά η ομάδα μου περίμενε ότι σε αυτόν τον συγκεκριμένο τύπο ταραχώδους υπεραγωγού, το αντίθετο θα ισχύει: το σύστημα θα σχηματίσει αναδυόμενες ομάδες όπου ήταν υπεραγωγιμότητα είναι ισχυρή, αλλά τα ζευγάρια μπορούν να σπάσουν με πολύ λιγότερη ενέργεια από το αναμενόμενο.

“Ήταν συναρπαστικό να βλέπουμε αυτές τις προβλέψεις να επιβεβαιώνονται από μετρήσεις STM από το Stanford Group!”

Διάδοση της επιστήμης

Η Parra είπε ότι τα αποτελέσματα έχουν πρακτικές επιπτώσεις στην κατασκευή υλικών 2D.

“Οι περισσότερες από τις μεθόδους για την κατασκευή δισδιάστατων υλικών είναι μηχανικές προσεγγίσεις, όπως η ανάπτυξη μεμβρανών σε πάχος μερικών ατομικών στρωμάτων ή η δημιουργία μιας απότομης διεπαφής μεταξύ δύο υλικών και ο περιορισμός μιας δισδιάστατης κατάστασης εκεί”, είπε. “Αυτό παρέχει έναν επιπλέον τρόπο για να φτάσετε σε αυτές τις 2D καταστάσεις υπεραγωγών. Είναι φθηνότερα, δεν απαιτούν φανταχτερό εξοπλισμό που απαιτεί πολύ χαμηλές θερμοκρασίες και δεν χρειάζονται ημέρες ή εβδομάδες. Το μόνο δύσκολο μέρος είναι ο σωστός συνδυασμός υλικών.”

Η Barra είναι τώρα επικεφαλής εργαστηρίου στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο Federico Santa Maria στο Valparaíso της Χιλής, εστιάζοντας σε διεπιστημονικές μελέτες βιολογικών υλικών νανοκλίμακας. Πρόσφατα κέρδισε μια επιχορήγηση για την απόκτηση και τη λειτουργία του πρώτου μικροσκοπίου σάρωσης σήραγγας χαμηλής θερμοκρασίας στη Νότια Αμερική, την οποία σκοπεύει να χρησιμοποιήσει για να συνεχίσει αυτόν τον τύπο έρευνας.

«Όταν έχω αυτόν τον εξοπλισμό στο εργαστήριο, θα τον συνδέσω με όλα όσα έμαθα στο εργαστήριο του Χάρι και θα το χρησιμοποιήσω για να διδάξω μια νέα γενιά ερευνητών ότι θα εργαζόμαστε στη νανοεπιστήμη και τη νανοτεχνολογία στη Χιλή», είπε.