Wetenschap

Wat gebeurt er echt in supergeleidende materialen?

Wat gebeurt er echt in supergeleidende materialen?


Supergeleiding bij hoge temperaturen zou een stap dichterbij kunnen komen dankzij het werk van een internationaal team van fysici. Door de ruimtelijke correlaties van kaliumatomen bij temperaturen net boven het absolute nulpunt te bestuderen, zouden de observaties van het team kunnen helpen bij het identificeren van de ideale omstandigheden die nodig zijn om supergeleiding te induceren.

[Afbeeldingsbron:MIT - Sampson Wilcox]

Supergeleiding: de bijna perfect efficiënte manier om elektriciteit in een materiaal te geleiden door energieverliezen te elimineren. Momenteel is deze ongelooflijke eigenschap van bepaalde materialen alleen mogelijk bij specifieke, extreem lage temperaturen. Als supergeleiding bij kamertemperatuur zou kunnen worden geïnduceerd, zou de impact op mogelijke efficiëntie voor elektrisch vermogen buitengewoon zijn. Maar het begrijpen hoe supergeleiding optreedt, wordt belemmerd door ons vermogen om het fenomeen te visualiseren.

Met dit in gedachten hebben onderzoekers van MIT een 'kwantumsimulator' ontworpen, waarbij ze atomen gebruiken om het gedrag van elektronen in een supergeleidende vaste stof te modelleren.

Teamleider professor Martin Zwierlein, MIT, rapporteerde aan MIT News: 'Door van dit atomaire model te leren, kunnen we begrijpen wat er werkelijk aan de hand is in deze supergeleiders, en wat je moet doen om supergeleiders met een hogere temperatuur te maken, die hopelijk op kamertemperatuur komen.'

Het atomaire model van het team is gebaseerd op het Fermi-Hubbard-model van interagerende atomen, een theorie die vaak wordt gebruikt om de fundamentele principes van supergeleiding uit te leggen. Eerder konden onderzoekers met dit model alleen het gedrag van zwak op elkaar inwerkende supergeleidende elektronen voorspellen. Professor Zwierlein legde uit:

'Dat is een belangrijke reden waarom we hoge temperatuursupergeleiders niet begrijpen, waar de elektronen heel sterk op elkaar inwerken. Er is geen klassieke computer ter wereld die kan berekenen wat er bij zeer lage temperaturen gebeurt met op elkaar inwerkende [elektronen]. Hun ruimtelijke correlaties zijn ook nooit in situ waargenomen, omdat niemand een microscoop heeft om naar elk elektron te kijken. '

Door de kaliumatomen die worden bestudeerd af te koelen tot slechts een paar nanokelvin en ze te vangen in een door een laser gegenereerd rooster dat een tweedimensionaal vlak creëert, konden onderzoekers de posities en interacties van individuele atomen observeren. Het gedrag van de waargenomen atomen varieerde afhankelijk van de dichtheid van het gas op elke positie.

In de lagere dichtheidsgebieden - richting de rand van het rooster - werden de atomen 'asociaal'. Dit komt overeen met het gedrag van elektronen dat is getheoretiseerd door de beroemde 20e-eeuwse natuurkundige Wolfgang Pauli, wiens zogenaamde 'Pauli-gaten' de neiging van elektronen beschrijven om een ​​bepaalde sfeer van persoonlijke ruimte te behouden. 'Ze maken een kleine ruimte voor zichzelf vrij waar het zeer onwaarschijnlijk is dat ze in die ruimte een tweede man zullen vinden', zei Zwierlein.

Het echt interessante gedrag deed zich voor in gebieden met een hogere dichtheid. De waargenomen atomen lieten zich niet alleen bundelen, ze vertoonden ook wisselende magnetische oriëntaties. Zwierlein legde uit: 'Dit zijn mooie, antiferromagnetische correlaties, met een schaakbordpatroon - omhoog, omlaag, omhoog, omlaag.'

Vervolgens beschreef hij de ongebruikelijke neiging van deze atomen om 'op elkaar te springen', wat resulteert in een ruimte naast een gebundeld paar atomen. De gelijkenis tussen dit gedrag en dat vereist voor - nog steeds theoretische - supergeleiding bij hoge temperaturen is sterk. In theorie kan supergeleiding bij kamertemperatuur worden geïnduceerd via de wrijvingsloze beweging van elektronenparen tussen geschikte grote ruimtes in een rooster. Zwierlein omschreef het als volgt:

'Bij ons treden deze effecten op bij nanokelvin omdat we werken met verdunde atomaire gassen. Als je een dicht stuk materie hebt, kunnen dezelfde effecten ook bij kamertemperatuur optreden. '

Lees de bevindingen van het team in hunWetenschap dagboekpapier.

ZIE OOK: Er kunnen gebreken zijn in de supergeleider-theorie

Via: MIT

Geschreven door Jody Binns


Bekijk de video: Col 5 quantum Hall effect: gecorreleerde electron systemen