Μια αινιγματική μορφή υπεραγωγιμότητας που εμφανίζεται μόνο υπό ισχυρά μαγνητικά πεδία χαρτογραφήθηκε και εξηγήθηκε από μια ερευνητική ομάδα, στην οποία συμμετέχει ο Andriy Nevidomskyy, καθηγητής φυσικής και αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο Rice.
Τα ευρήματά τους, που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Science, περιγράφουν πώς το διτελλουρίδιο του ουρανίου (UTe₂) αναπτύσσει μια υπεραγώγιμη άλω (halo) όταν εκτίθεται σε έντονα μαγνητικά πεδία.
Παραδοσιακά, οι επιστήμονες θεωρούσαν τα μαγνητικά πεδία επιβλαβή για τους υπεραγωγούς.
Ακόμη και τα μέτρια μαγνητικά πεδία συνήθως εξασθενούν την υπεραγωγιμότητα, ενώ τα ισχυρότερα μπορούν να την καταστρέψουν μόλις ξεπεραστεί ένα γνωστό κρίσιμο όριο. Ωστόσο, το UTe₂ αμφισβήτησε αυτές τις προσδοκίες.
Το 2019, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι το υλικό μπορούσε να διατηρήσει την υπεραγωγιμότητα σε μαγνητικά πεδία εκατοντάδες φορές ισχυρότερα από εκείνα που αντέχουν οι συμβατικοί υπεραγωγοί.
«Όταν είδα για πρώτη φορά τα πειραματικά δεδομένα, έμεινα άναυδος», δήλωσε ο Nevidomskyy, μέλος του Rice Advanced Materials Institute και του Rice Center for Quantum Materials. «Η υπεραγωγιμότητα αρχικά κατεστάλη από το μαγνητικό πεδίο, όπως αναμενόταν, αλλά στη συνέχεια επανεμφανίστηκε σε υψηλότερα πεδία και μόνο για μια κατεύθυνση πεδίου που φαινόταν να είναι περιορισμένη. Δεν υπήρχε άμεση εξήγηση για αυτή την αινιγματική συμπεριφορά».
Υπεραγώγιμη ανάσταση σε υψηλά πεδία
Το φαινόμενο εντοπίστηκε για πρώτη φορά από ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ (UMD) και στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) και τράβηξε γρήγορα την παγκόσμια προσοχή των φυσικών. Στο UTe₂, η υπεραγωγιμότητα εξαφανίζεται κάτω από τα 10 τέσλα — ένα μαγνητικό πεδίο που θεωρείται ήδη εξαιρετικά ισχυρό για τα συμβατικά δεδομένα.
Απροσδόκητα, η υπεραγωγιμότητα επανεμφανίζεται μόλις η ένταση του πεδίου υπερβεί τα 40 τέσλα περίπου. Αυτή η αναπάντεχη αναβίωση ονομάστηκε «φάση Λάζαρος».
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η φάση αυτή εξαρτάται καθοριστικά από τη γωνία του μαγνητικού πεδίου σε σχέση με την κρυσταλλική δομή του υλικού.
Σε συνεργασία με πειραματικούς συνεργάτες στο UMD και το NIST, ο Nevidomskyy βοήθησε στη χαρτογράφηση της γωνιακής εξάρτησης αυτής της υπεραγώγιμης κατάστασης υψηλού πεδίου.
Οι μετρήσεις τους αποκάλυψαν ότι η υπεραγώγιμη φάση σχηματίζει μια τοροειδή άλω —δηλαδή σε σχήμα ντόνατ— που περιβάλλει έναν συγκεκριμένο κρυσταλλικό άξονα.
“Οι μετρήσεις μας αποκάλυψαν μια τρισδιάστατη υπεραγώγιμη άλω που τυλίγεται γύρω από τον σκληρό άξονα-b του κρυστάλλου”, δήλωσε η Sylvia Lewin του NIST, εκ των επικεφαλής συντακτών της μελέτης. “Αυτό ήταν ένα εκπληκτικό και πανέμορφο αποτέλεσμα”.
Δημιουργία θεωρίας για την προσαρμογή της άλω
Για να εξηγήσει τις παρατηρήσεις, ο Nevidomskyy ανέπτυξε ένα θεωρητικό μοντέλο ικανό να αναπαράγει τα πειραματικά αποτελέσματα, χωρίς να βασίζεται σε μεγάλο βαθμό σε αμφισβητούμενους μικροσκοπικούς μηχανισμούς.
Αντίθετα, η προσέγγιση χρησιμοποίησε ένα αποτελεσματικό φαινομενολογικό πλαίσιο, το οποίο απαιτούσε μόνο ένα ελάχιστο σύνολο υποθέσεων σχετικά με τις δυνάμεις σύζευξης που δεσμεύουν τα ηλεκτρόνια σε ζεύγη Cooper.
Το μοντέλο αναπαρήγαγε με επιτυχία την ασυνήθιστη γωνιακή εξάρτηση που παρατηρήθηκε στα πειράματα, βοηθώντας να αποσαφηνιστεί πώς ο προσανατολισμός ενός μαγνητικού πεδίου επηρεάζει την υπεραγωγιμότητα στο UTe₂.
Βαθύτερη κατανόηση της αλληλεπίδρασης
Η ερευνητική ομάδα διαπίστωσε ότι η θεωρία, προσαρμοσμένη με μερικές βασικές παραμέτρους, ευθυγραμμίστηκε εξαιρετικά καλά με τα πειραματικά χαρακτηριστικά, ιδιαίτερα με το γωνιακό προφίλ της άλω.
Μια βασική ενόραση από το μοντέλο είναι ότι τα ζεύγη Cooper φέρουν εγγενή στροφορμή, όπως μια περιστρεφόμενη σβούρα στην κλασική φυσική. Το μαγνητικό πεδίο αλληλεπιδρά με αυτή την ορμή, δημιουργώντας μια κατευθυντική εξάρτηση που ταιριάζει με το παρατηρούμενο μοτίβο της άλω.
Αυτή η εργασία θέτει τις βάσεις για μια βαθύτερη κατανόηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ μαγνητισμού και υπεραγωγιμότητας σε υλικά με ισχυρή κρυσταλλική ανισοτροπία, όπως το UTe₂.
«Μία από τις πειραματικές παρατηρήσεις είναι η ξαφνική αύξηση στη μαγνήτιση του δείγματος, αυτό που ονομάζουμε μεταμαγνητική μετάβαση», δήλωσε ο Peter Czajka του NIST, συν-επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης.
“Η υπεραγωγιμότητα υψηλού πεδίου εμφανίζεται μόνο όταν το μέγεθος του πεδίου φτάσει σε αυτή την τιμή, η οποία είναι και η ίδια υψηλά εξαρτώμενη από τη γωνία”.
Η ακριβής προέλευση αυτής της μεταμαγνητικής μετάβασης και η επίδρασή της στην υπεραγωγιμότητα αποτελούν αντικείμενο έντονης συζήτησης μεταξύ των επιστημόνων, και ο Nevidomskyy δήλωσε ότι ελπίζει πως αυτή η θεωρία θα βοηθήσει στην αποσαφήνισή της.
“Παρόλο που η φύση της ‘συγκολλητικής ουσίας’ (pairing glue) για τη σύζευξη σε αυτό το υλικό παραμένει προς κατανόηση, το να γνωρίζουμε ότι τα ζεύγη Cooper φέρουν μαγνητική ροπή είναι ένα βασικό αποτέλεσμα αυτής της μελέτης και θα πρέπει να βοηθήσει στην καθοδήγηση των μελλοντικών ερευνών”, δήλωσε ο ίδιος.