Φανταστείτε έναν κόσμο όπου το ηλεκτρικό ρεύμα ταξιδεύει στο δίκτυο χωρίς να χάνεται ούτε μια σπίθα ενέργειας, τροφοδοτώντας από υπερσυγχρόνους ιατρικούς σαρωτές μέχρι κβαντικούς υπολογιστές του μέλλοντος. Αυτή είναι η υπόσχεση των υπεραγωγών, μιας κατηγορίας υλικών που αψηφά τους νόμους της συμβατικής φυσικής.
Ωστόσο, μια νέα, αναπάντεχη ανακάλυψη έρχεται να κλονίσει τα θεμέλια μιας επιστημονικής βεβαιότητας τεσσάρων δεκαετιών, αποδεικνύοντας ότι τα υλικά αυτά κρύβουν μυστικά που μόλις τώρα αρχίζουμε να ψιθυρίζουμε.
Ένα υλικό που μεταφέρει τον ηλεκτρισμό χωρίς αντίσταση ενδέχεται να περιορίζεται από την ίδια του τη δομή, αμφισβητώντας παραδοχές 45 ετών σχετικά με τους υπεραγωγούς που βασίζονται στον χαλκό. Ένας κρύσταλλος που οι επιστήμονες πίστευαν ότι είχε την ίδια δομή σε όλη του την έκταση, αποδεικνύεται στην πραγματικότητα ότι είναι ένα “μωσαϊκό” από δύο ελαφρώς διαφορετικές διατάξεις ατόμων.
Τα όρια μεταξύ αυτών των περιοχών είναι εκατοντάδες φορές ευρύτερα από το αναμενόμενο, τόσο πλατιά που συμπεριφέρονται σχεδόν σαν μια αυτόνομη δομή παρά σαν μια απλή διαχωριστική γραμμή. Το υλικό ανήκει σε μια οικογένεια που ονομάζεται χαλκοπυριτικά (cuprates), υπεραγωγοί με βάση τον χαλκό που μπορούν να μεταφέρουν ηλεκτρισμό χωρίς αντίσταση σε ασυνήθιστα υψηλές θερμοκρασίες για την υπεραγωγιμότητα -αν και οι θερμοκρασίες αυτές παραμένουν πολύ χαμηλές.
Η υπεραγωγιμότητα υψηλών θερμοκρασιών στηρίζει την έρευνα για τα μελλοντικά δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας, τους ιατρικούς σαρωτές και τους κβαντικούς υπολογιστές. Η υπόσχεσή της περιλαμβάνει επίσης μαγνήτες πολύ πιο ισχυρούς από αυτούς που είναι εφικτοί σήμερα.
Στο μικροσκόπιο των ακτίνων Χ: Η ακτινογραφία που αποκάλυψε τα “σύνορα” του κρυστάλλου
Για να εξετάσουν το εσωτερικό του κρυστάλλου, οι ερευνητές του Τμήματος Χημείας του Πανεπιστημίου του Γουόρικ (University of Warwick) συνεργάστηκαν με την Ευρωπαϊκή Εγκατάσταση Ακτινοβολίας Σύγχροτρον (ESRF) στη Γαλλία.
Χρησιμοποίησαν τη μέθοδο της σάρωσης τρισδιάστατης περίθλασης ακτίνων Χ, μια τεχνική που λειτουργεί παρόμοια με μια ιατρική αξονική τομογραφία (CT scan), αλλά χαρτογραφεί τη διάταξη των ατόμων στο εσωτερικό ενός κρυστάλλου.
Αυτό επέτρεψε στην ομάδα να δημιουργήσει για πρώτη φορά μια τρισδιάστατη εικόνα βαθιά μέσα στο υλικό, αποκαλύπτοντας δομικές διαφορές σε όλη τη μάζα του.
Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Physical Review Letters.
Μια πρόσφατη αναβάθμιση της Ευρωπαϊκής Εγκατάστασης Ακτινοβολίας Σύγχροτρον (ESRF) ύψους 150 εκατομμυρίων ευρώ κατέστησε εφικτή αυτή την τεχνική. Οι ερευνητές εκτιμούν ότι η εμβέλειά της εκτείνεται πέρα από τους υπεραγωγούς, επιτρέποντας στους επιστήμονες να εξετάσουν μια ευρεία γκάμα υλικών σε τρεις διαστάσεις, σε ένα επίπεδο λεπτομέρειας που μέχρι πρότινος ήταν απρόσιτο, και να διερευνήσουν πώς οι εσωτερικές τους δομές διαμορφώνουν τη συμπεριφορά τους.
Τα κρυσταλλικά σύνορα ενδέχεται να εμποδίζουν την υπεραγωγιμότητα
Στο πλαίσιο της έρευνας για την υπεραγωγιμότητα, η ομάδα υποψιάζεται ότι αυτή η κρυφή δομική πολυπλοκότητα είναι κοινή σε ολόκληρη την ευρύτερη οικογένεια των χαλκοπυριτικών υλικών. Ενδέχεται επίσης να εμφανίζεται και σε συναφή υλικά που εξετάζονται για υπεραγωγιμότητα υπό συνθήκες ακραίας πίεσης.
Ο καθηγητής Μαρκ Σεν (Mark Senn), από το Τμήμα Χημείας του Πανεπιστημίου του Γουόρικ (University of Warwick), ο οποίος ηγήθηκε της μελέτης, δήλωσε:
“Επί 40 χρόνια, η βασική παραδοχή ήταν ότι αυτά τα υλικά είναι πανομοιότυπα σε όλη τους τη μάζα, και σχεδόν ολόκληρη η θεωρία είναι δομημένη πάνω σε αυτή την εικόνα. Δείξαμε ότι αυτό δεν ισχύει. Ο κρύσταλλος είναι θεμελιωδώς ένα ‘μωσαϊκό’ με ανάγλυφη υφή, που παρουσιάζει ασυνήθιστα ευρείες περιοχές συνόρων οι οποίες πιθανότατα λειτουργούν ανασταλτικά για την υπεραγωγιμότητα, αντί απλώς να συνυπάρχουν δίπλα της.
Αυτό ίσως εξηγεί γιατί ορισμένα υλικά αποδίδουν καλύτερα από άλλα και σημαίνει ότι ορισμένες από τις υπάρχουσες μακροσκοπικές μετρήσεις θα πρέπει να επανερμηνευθούν, καθώς και ότι τα μελλοντικά θεωρητικά μοντέλα θα πρέπει να κατασκευαστούν ενσωματώνοντας αυτή τη δομική πολυπλοκότητα”.
