Φυσικοί αξιοποίησαν τον ηλεκτρονικό θόρυβο για να διαπιστώσουν εάν τα ηλεκτρόνια σχηματίζουν ζευγάρια, προσφέροντας νέα δεδομένα στη μελέτη των υπεραγωγών. Οι υπεραγωγοί μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα χωρίς αντίσταση, αλλά οι περισσότεροι λειτουργούν μόνο λίγους βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν.
Στα τέλη της δεκαετίας του 1980, ανακαλύφθηκε ότι υλικά με βάση τον χαλκό, τα οποία ονομάζονται χαλκοειδή (cuprates), παρουσιάζουν υπεραγωγιμότητα σε υψηλότερες θερμοκρασίες —προσβάσιμες με το οικονομικό υγρό άζωτο.
Ωστόσο, σχεδόν 40 χρόνια μετά, οι φυσικοί εξακολουθούν να διαφωνούν για τον λόγο. Σε μια πρόσφατη μελέτη στο περιοδικό Science, μια ομάδα φυσικών με επικεφαλής τον Milan Allan από το Πανεπιστήμιο Ludwig Maximilian του Μονάχου και τον Ingmar Swart από το Πανεπιστήμιο της Ουτρέχτης στην Ολλανδία βρήκε μερικές απαντήσεις, «ακούγοντας» το αμυδρό ηλεκτρικό τρίξιμο του ρεύματος που ρέει μέσα σε ένα χαλκοειδές.
Αναζητώντας τα χαμένα ηλεκτρόνια
Κεντρικής σημασίας για το μυστήριο της υπεραγωγιμότητας υψηλής θερμοκρασίας των χαλκοειδών είναι μια παράξενη κατάσταση που ονομάζεται «ψευδοχάσμα» (pseudogap). «Το ψευδοχάσμα είναι ένα φαινόμενο χαμένων ηλεκτρονίων», δήλωσε ο Allan. Πάνω από τη θερμοκρασία στην οποία τα χαλκοειδή γίνονται υπεραγώγιμα, μερικά από τα ηλεκτρόνιά τους φαίνεται να εξαφανίζονται —οι μετρήσεις εντοπίζουν πολύ λιγότερα από αυτά στα επίπεδα ενέργειας όπου θα έπρεπε να βρίσκονται.
«Όλοι γνωρίζουν από διάφορες δοκιμές ότι υπάρχουν αυτά τα ηλεκτρόνια που εξαφανίζονται, αλλά κανείς δεν ξέρει το γιατί», συμπλήρωσε ο Allan. Κατά τη διάρκεια των δεκαετιών, οι φυσικοί έχουν προτείνει δύο κύριες, ανταγωνιστικές εξηγήσεις. Η πρώτη υποθέτει ότι τα ηλεκτρόνια παγιδεύονται σε κάποιου είδους δομή.
Σύμφωνα με αυτή την άποψη, τα ηλεκτρόνια «παγώνουν» σχηματίζοντας μοτίβα, όπως κύματα πυκνότητας φορτίου, και η υπεραγωγιμότητα αναπτύσσεται ξεχωριστά. Η εναλλακτική εξήγηση συνδέει στενά αυτό το φαινόμενο με την υπεραγωγιμότητα. «Άλλοι πιστεύουν ότι λείπουν επειδή σχηματίζουν ζευγάρια», ανέφερε ο Allan.
Τα ζεύγη ηλεκτρονίων, γνωστά ως ζεύγη Cooper, είναι αυτά που μεταφέρουν το ρεύμα σε έναν υπεραγωγό. Εάν, καθώς το υλικό ψύχεται, αυτά τα ζεύγη εμφανίζονται προτού το υλικό γίνει υπεραγώγιμο, τότε θα αποτελούσαν προϋπόθεση για την υπεραγωγιμότητα —κάτι σαν αίθουσα αναμονής, όπου τα ζεύγη υπάρχουν αλλά δεν μπορούν ακόμη να κινηθούν όλα μαζί σε απόλυτο συντονισμό.
Η διευθέτηση αυτού του ζητήματος αποδείχθηκε εξαιρετικά δύσκολη. «Πολλά διαφορετικά πειραματικά χαρακτηριστικά είναι κατά κάποιο τρόπο συσσωρευμένα μέσα σε αυτό», δήλωσε ο Allan. Διαφορετικά όργανα βλέπουν όλα κάτι, αλλά οι ενδείξεις τους, σύμφωνα με τον Allan, δεν είναι ποτέ οριστικές.
«Είναι πάντα κάτι κάπως ασυνάρτητο, δύσκολο να το συλλάβεις», είπε. Αυτό που χρειάζονταν οι ερευνητές ήταν ένας τρόπος να δουν τα ζεύγη απευθείας, και ο Allan με τους συνεργάτες του τον βρήκαν.
Σαν βαριές σταγόνες: Το μυστικό της ροής των ηλεκτρονίων
Η ομάδα αποφάσισε να «ακούσει» τον θόρυβο βολής (shot noise) —μικροσκοπικές διακυμάνσεις που προκαλούνται από την άφιξη μεμονωμένων φορτίων τα οποία σχηματίζουν τη ροή ενός ηλεκτρικού ρεύματος.
Ο Allan λέει ότι αυτό μοιάζει με τη βροχή που χτυπά ρυθμικά πάνω σε μια στέγη. «Αν φανταστείτε ότι έχετε σταγόνες βροχής και ξαφνικά κάνετε τις σταγόνες δύο φορές πιο βαριές, θα προκληθεί περισσότερος θόρυβος», δήλωσε ο Allan. «Με τα ηλεκτρόνια είναι παρόμοιο. Αν έχετε δύο ηλεκτρόνια που έρχονται πάντα μαζί, επειδή συνδέονται λόγω του σχηματισμού ζευγών, τότε θα υπάρχει περισσότερος θόρυβος».
Οι ερευνητές πραγματοποίησαν αυτή τη μέτρηση με ένα μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας (scanning tunneling microscope), το οποίο διοχέτευε ρεύμα ανάμεσα σε μια εξαιρετικά αιχμηρή ακίδα και ένα δείγμα χαλκοειδούς, επιτρέποντάς τους να ακούσουν τον θόρυβο σε συγκεκριμένα επίπεδα ενέργειας και σε διαφορετικές τοποθεσίες της επιφάνειας.
Στους συμβατικούς υπεραγωγούς, ο σχηματισμός ζευγών προκαλεί έναν καθαρό διπλασιασμό του θορύβου. Στα χαλκοειδή, το σήμα είναι πολύ πιο αδύναμο, επειδή μεμονωμένα ηλεκτρόνια συνεχίζουν να ρέουν παράλληλα με τα ζεύγη.
Χρειάστηκαν χρόνια για να γίνει το όργανο αρκετά ευαίσθητο ώστε να διακρίνει τα ζεύγη. «Αυτό που χρειάστηκε ήταν πολύ ταλαντούχοι και επίμονοι φοιτητές που εργάστηκαν, δεν ξέρω, ίσως τέσσερα χρόνια πάνω σε αυτό για να το κάνουν να λειτουργήσει», είπε ο Allan. «Δεν υπήρχε ένα μοναδικό μυστικό. Ήταν ζήτημα ηλεκτρονικής δεξιοτεχνίας».
Αποκρυπτογραφώντας το κβαντικό «σκαλοπάτι»
Η ομάδα εξέτασε κρυστάλλους ενός χαλκοειδούς γνωστού ως BSCCO, ψυγμένους σε θερμοκρασία λίγων βαθμών πάνω από το απόλυτο μηδέν, και συνέκρινε τον θόρυβο με τα επίπεδα ενέργειας στα οποία «εξαφανίζονται» τα ηλεκτρόνια.
Ρυθμίζοντας την τάση ανάμεσα στην ακίδα και το δείγμα, η ομάδα μπορούσε να επιλέξει την ενέργεια των ηλεκτρονίων που «άκουγε», κάπως σαν να γυρίζει κανείς τον διακόπτη ενός ραδιοφώνου. Η ομάδα σκέφτηκε ότι, εάν το ψευδοχάσμα προερχόταν αποκλειστικά από «παγωμένα» μοτίβα, ο πρόσθετος θόρυβο από τον σχηματισμό ζευγών θα έπρεπε να εμφανίζεται μόνο στα ενεργειακά επίπεδα που συνδέονται με την υπεραγωγιμότητα. Αντίθετα, ο σχηματισμός ζευγών εμφανίστηκε ακριβώς στην ενέργεια του ψευδοχάσματος.
«Το γεγονός ότι υπάρχει περισσότερος θόρυβος υποδεικνύει ότι ο σχηματισμός ζευγών συνδέεται με αυτό το μεγάλο χάσμα», δήλωσε ο Allan. Η ενέργεια του ψευδοχάσματος ποικίλλει από σημείο σε σημείο στην επιφάνεια, αλλά όπου κι αν «άκουσε» η ομάδα, ο πρόσθετος θόρυβος άρχιζε πάντα να αυξάνεται στην τοπική ενέργεια του ψευδοχάσματος. Το ίδιο μοτίβο ίσχυε και σε δείγματα με διαφορετικές χημικές συστάσεις.
Η απόρριψη άλλων πηγών θορύβου, όπως η μετατόπιση ατόμων στην επιφάνεια, απαίτησε μεγάλη προσπάθεια. «Ο θόρυβος είναι εξαιρετικά δύσκολο να ερμηνευτεί, και αυτό ήταν ουσιαστικά το ζήτημα που μας προκάλεσε τις περισσότερες άγρυπνες νύχτες», ανέφερε ο Allan.
Ο καθοριστικός έλεγχος περιλάμβανε την τοποθέτηση των δειγμάτων σε μαγνητικά πεδία έντασης έως και έξι τέσλα, τα οποία καταστέλλουν τον σχηματισμό ζευγών, αφήνοντας σε μεγάλο βαθμό ανέπαφο το συνολικό μοτίβο των χαμένων ηλεκτρονίων.
Καθώς το μαγνητικό πεδίο αυξανόταν, ο θόρυβος μειωνόταν ξανά προς το επίπεδο του μεμονωμένου ηλεκτρονίου, ακριβώς όπως αναμενόταν εάν πίσω από αυτόν κρύβονταν τα ζεύγη. Η ισχύς του σχηματισμού ζευγών ηλεκτρονίων μπορεί να εκφραστεί ως η ενέργεια που απαιτείται για να διασπαστεί ένα ζευγάρι.
Η μείωση της θερμοκρασίας βοηθά στην ενίσχυση του σχηματισμού ζευγών, επειδή όσο πιο θερμό γίνεται ένα υλικό, τόσο πιο βίαια αναδεύονται τα σωματίδιά του και τόσο περισσότερα ζεύγη σπάνε. Στους συμβατικούς υπεραγωγούς, δύο συστατικά απαραίτητα για την υπεραγωγιμότητα —ο σχηματισμός ζευγών και η φασική συνοχή— συμβαίνουν ταυτόχρονα στην κρίσιμη θερμοκρασία. (Φασική συνοχή είναι η κατάσταση όπου τα ηλεκτρόνια αρχίζουν να κινούνται μαζί ως ρευστό).
Στα χαλκοειδή, η μελέτη των Allan και Swart δείχνει μια διαφορετική αλληλουχία. Η ενέργεια σχηματισμού ζευγών που μέτρησε η ομάδα είναι πολύ υψηλότερη από τη θερμοκρασία στην οποία το υλικό γίνεται υπεραγώγιμο. «Έτσι, η εικόνα που προκύπτει είναι ότι πρώτα δημιουργούνται προ-σχηματισμένα ζεύγη και στη συνέχεια, μόνο σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, εμφανίζεται η φασική συνοχή», δήλωσε ο Swart.
Αυτό υποδηλώνει ότι το κύριο εμπόδιο (bottleneck) για την υπεραγωγιμότητα δεν είναι η ώθηση των ηλεκτρονίων να σχηματίσουν ζεύγη, αλλά το να καταφέρουν αυτά τα ζεύγη να κινηθούν μαζί. «Εάν υπάρχει σχηματισμός ζευγών σε τόσο υψηλές ενέργειες, αυτό σημαίνει ότι ίσως μπορέσουμε να ωθήσουμε την Tc κρίσιμη θερμοκρασία υπεραγωγιμότητας ακόμα υψηλότερα», δήλωσε ο Allan. «Αυτό είναι κάτι που οι άνθρωποι ήλπιζαν τις πρώτες μέρες των χαλκοειδών, και τώρα όλοι φοβούνται ακόμα και να το αναφέρουν. Αλλά σε μένα, δίνει ελπίδα».
Οι προκλήσεις που κρατούν χαμηλά τον πήχη
Μια αισιόδοξη ανάγνωση των αποτελεσμάτων είναι ότι τα ηλεκτρόνια των χαλκοειδών θα μπορούσαν θεωρητικά να σχηματίσουν ζεύγη σε θερμοκρασία δωματίου, και το μόνο που χρειαζόμαστε είναι να τα κάνουμε συνεκτικά για να πετύχουμε έναν υπεραγωγό δωματίου. Η ομάδα, ωστόσο, θεωρεί ότι αυτό είναι κάπως απλοϊκό.
«Νομίζω ότι τόσο ο Ingmar όσο και εγώ πιστεύουμε ότι δεν θα είναι τόσο απλό, επειδή υπάρχουν κάθε είδους άλλα φαινόμενα που είναι συζευγμένα εκεί», δήλωσε ο Allan. Οι ερευνητές τονίζουν επίσης ότι το πείραμά τους δεν απαντά πλήρως στο κεντρικό ερώτημα. Αποκλείει την ιδέα ότι το ψευδοχάσμα προέρχεται αποκλειστικά από «παγωμένα» μοτίβα, αλλά όχι ότι αυτά τα μοτίβα είναι αλληλένδετα με τον σχηματισμό ζευγών.
«Όποια και αν είναι η λεπτομερής εξήγηση για το ψευδοχάσμα, ο σχηματισμός ζευγών πρέπει να αποτελεί μέρος της», ανέφερε ο Swart. Επειδή η τεχνική που χρησιμοποιήθηκε στη μελέτη χάνει την ευαισθησία της καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η ομάδα δεν μπόρεσε ακόμη να «ακούσει» πάνω από τη θερμοκρασία υπεραγωγιμότητας, όπου συνήθως ορίζεται το ψευδοχάσμα.
«Ελπίζω ότι άλλες ομάδες θα το κάνουν αυτό», είπε ο Allan. «Τι περιορίζει την Tc, ειδικά εάν η ενέργεια σχηματισμού ζευγών είναι υψηλή; Τι συμβαίνει στην Tc; Αυτό είναι για μένα το πιο ενδιαφέρον ερώτημα».
Ο Swart θέλει να δημιουργήσει χάρτες θορύβου της επιφάνειας με υψηλότερη ανάλυση και, τελικά, ένα όργανο που θα μπορεί να ανιχνεύσει τη συνοχή απευθείας, το οποίο ελπίζει ότι θα μας δώσει ξεχωριστούς δείκτες για την έναρξη της φασικής συνοχής και του σχηματισμού ζευγών ηλεκτρονίων.
Ο Allan, εν τω μεταξύ, πιστεύει όλο και περισσότερο ότι ο δρόμος προς καλύτερους υπεραγωγούς περνά μέσα από τη χημεία, με τη βοήθεια της τεχνητής νοημοσύνης, παρά μέσα από την καθαρή φυσική. «Όταν πρόκειται για την προσπάθεια βελτίωσης του υπεραγώγιμου υλικού και της αύξησης της Tc, έχω περισσότερες ελπίδες στην άμεση μέθοδο δοκιμής και σφάλματος (trial and error)», δήλωσε.
