Unde sarcinăMotivul pentru care un material conduce electricitate fără pierderi nu este legat doar de temperatura potrivită. În viitor, pe baza unor cercetări recente, vor fi posibile aprecieri mai credibile asupra superconductorilor la temperaturi ridicate.

 

 

 

 

Aceste materiale își pierd rezistența electrică dacă sunt răcite cu azot lichid, care este relativ ușor de manipulat.


Unde
Unde densitate sarcină


Cercetătorii de la Institutul Max Planck for Solid State Researach au descoperit unde de densitate de sarcină în ceramică de oxid de Ytriu Bariu Cupru (YBC) și oxid de Neodim Bariu Cupru (NBC). Ele se formează la o temperatură superioară celei la care materialul devine superconductor, deci pierzându-și rezistența electrică, dezordonând ușor matricea cristalină, cum se poate vedea într-un strat al matricei cristaline de spațiile neregulate dintre atomi (sferele albastre) din imaginea de mai sus. Supraconductibilitatea concurează cu undele de densitate de sarcină și e probabil o coincidență că supraconductibilitatea are câștig de cauză la o anumită temperatură.

Credit: Daniel Pröpper/MPI for Solid State Research

 

O echipă internațională, în care fizicienii de la Institutul Max Planck for Solid State Research din Stuttgart au jucat un rol esenţial, a descoperit că această formă de conductivitate concurează cu undele de densitate de sarcină (cu o fluctuație periodică a distribuției sarcinii). Pentru că fizicienii nu au luat în calcul această concurență în modelele lor anterioare, calculele lor pentru temperatura de tranziție, unde supraconductibilitatea se instalează, rămân imprecise. Mai departe, cercetătorii de la Institutul Max Planck din Stuttgart au obținut indicii despre modul cum materialele supraconductoare interacționează cu cele magnetice. Aceștia au observat că proprietățile electronice afectează vibrațiile cristalelor într-un mod mai puternic decât era de așteptat. Acest efect ar putea ajuta în controlarea proprietăților materialelor cum ar fi supraconductibilitatea ori efectul termic.

Dacă electricitatea provenită din centrale eoliene de mare putere sau chiar parcuri de panouri solare de mari dimensiuni din Sahara ar trebui distribuită consumatorilor din Germania în viitor, o cantitate însemnată de energie va fi pierdută de-a lungul liniilor de tensiune. Cablurile superconductoare ar putea preveni acest lucru dacă răcirea lor nu consumă mai mult decât s-ar economisi. Bernhard Keimer și colegii lui de la Institutul Max Planck for Solid State Research din Stuttgart vor să identifice materialele care merită denumirea de superconductori la temperatură înaltă atât în termeni practici cât și în modul nostru obișnuit de percepție a temperaturii. Pentru a face acest lucru ei vor trebui mai întâi să înțeleagă cum funcționează superconductivitatea în aceste materiale și cum poate fi ea influențată; aceste materiale sunt cunoscute ca superconductori de înaltă temperatură chiar dacă își pierd rezistența electrică la temperaturi care fac iarna Siberiană să pară aproape blândă. Fizicienii din Stuttgart au făcut un nou pas pe acest drum prin două publicații curente.

Superconductivitatea învinge undele de densitate de sarcină într-o competiție strânsă

Cercetătorii au descoperit că superconductivitatea într-un tip de ceramică de oxid de Cupru concurează cu o stare în care undele de densitate de sarcină se formează. Fizicienii știau despre asemenea unde de densitate de sarcină de zeci de ani din materiale bidimensionale cum ar fi seleniura de Niobiu. În acest caz, electroni de conducție nu sunt distribuiți uniform în cristal precum într-un metal. Dimpotrivă, aceștia formează o structură regulată de regiuni în care se găsesc în concentrații mai mici sau mai mari.

„Nu ne-am așteptat la prezența undelor de densitate de sarcină în oxizi de cupru superconductivi, pentru că ele distrug superconductivitatea” spune Bernhard Keimer. În loc să se formeze în concentrații mai mult sau mai puțin dense la intervale regulate, electronii din superconductori se unesc pentru a forma perechi Cooper care se pot strecura printr-un cristal fără a întâmpina rezistență. În concordanță, cercetătorii au observat modelele de sarcină doar peste temperatura de tranziție, acea temperatură la care materialul devine superconductor.

Regiunile în care undele de densitate de sarcină s-au format inițial, s-au extins totuși pe măsură ce cercetătorii au răcit materialul până la temperatura de tranziție. De îndată ce au ajuns la temperatura de tranziție la minus 213 grade Celsius, undele de densitate de sarcină au dispărut și superconductivitatea a învins.

„Superconductivitatea abia a învins în această competiție” explică Bernhard Keimer. „Dacă avantajele ar fi fost distribuite ușor diferit, ar fi fost posibil să nu existe deloc superconductivitate.

Undele de densitate de sarcină sunt explicația pentru temperaturile de tranziție calculate prea ridicate

Echipa de cercetători au găsit undele de densitate de sarcină prin scanarea oxizilor de YBC și NBC cu formula chimică (Y,Nd)Ba2Cu3O6+x cu ajutorul difracției rezonante de raze-X. Acest lucru a oferit informații exclusive asupra electronilor care erau nehotărâți dacă să formeze o undă sau să caute un partener pentru a traversa împreună prin cristal. Fizicienii din grupul lui  Bernhard Keimer vor face, de asemenea, aceste măsurători și în cazul altor superconductori de temperatură înaltă. Ei vor să afle dacă toate materialele găzduiesc o competiție de electroni.

În plus, cercetătorii vor să țină cont de conflictul dintre cele două stări electronice în modelul lor teoretic al superconductivității. „Putem deja calcula temperatura de tranziție a unui material destul de ușor cu acest model, dar totuși rezultă o temperatură ușor prea ridicată” spune Bernhar Keimer. „Competiția cu undele de densitate de sarcină explică această discrepanță așa că prezumțiile noastre ar trebui să devină mai exacte în viitor”.

Superconductivitatea poate fi influențată de magnetism


Undele de densitate de sarcină mai explică și o observație făcută de echipă recent în cadrul unui alt proiect. Un superconductor de înaltă temperatură a fost și aici subiectul experimentului. A fost compus tot din oxid de Yttriu Cupru Bariu și este descris de formula YBa2Cu3O7 sau pe scurt YBCO. Cercetătorii au combinat în acest caz ceramica cu un material care este compus din Lantan, Calciu și oxid de Mangan care are formula La2/3Ca1/3MnO3 (LCMO). Cercetătorii au suprapus cele două substanțe pentru a forma o supermatrice, un sandviș de straturi cu grosimea de câțiva nanometri și au făcut asta cu un scop clar.

„Între timp presupunem că perechile Cooper din superconductorii de înaltă temperatură se formează datorită interacțiunilor magnetice” explică Bernhard Keimer. „Dacă aceasta este situația, superconductivitatea ar trebui să fie influențată de magnetism pentru ca temperatura de tranziție să crească.” Forma specială de magnetism în LCMO ar putea să nu fie potrivită pentru acest lucru, pentru că acest material este feromagnetic ceea ce înseamă că momentele magnetice ale atomilor individuali se aliniază într-o direcție precum în Fier. Și această formă de magnetism distruge perechile Cooper, astfel afectând superconductivitatea și scăzând temperatura de tranziție. Acest materiale este totuși potrivit pentru a investiga cum temperatura de tranziție reacționează la magnetism și detaliile de bază ale acestui efect.

Într-adevăr cercetătorii au observat ceea ce așteptau: într-un sandviș de LCMO, temperatura de tranziție YCBO a scăzut iar descreșterea a fost mai mare pe măsură ce cercetătorii au subțiat stratul de YCBO în comparație cu cele de LCMO. Bernhard keimer și colegii lui au vrut apoi să afle mai multe detalii despre interacțiunile dintre diferite straturi. Mai specific ei au vrut să determine cum procesele electronice dintr-un strat – superconductivitatea pe de o parte și magnetismul magnetismul pe alta – afectează vibrațiile atomilor din acel strat. Fizicienii numesc interacțiunea cuplare electron-fonon. unde fononul reprezintă vibrația.

Cuplarea dintre electroni și vibrații influențează proprietățile materialului


O descriere ilustrativă a mecanismului este că electronii se comportă ca arcuri între atomi. Starea pe care electronii o adoptă afectează elasticitatea arcurilor și în concluzie abilitatea lor de a cupla vibrațiile. Cuplarea electron-fonon este baza pentru câteva proprietăți folositoare ale materialului. Acestea includ abilitatea unor materiale de a converti diferența de temperatură în tensiune electrică și, de asemenea, superconductivitatea convențională, în care vibrațiile matricei cristalului și nu magnetismul leagă perechile Cooper. Cercetătorii au investigat cuplarea electron fonon prin observarea vibrațiilor alese cu un spectrometru Raman pe măsură ce au răcit materialul din sandviș până când ordinea magnetică a apărut în LCMO iar superconductitatea în YCBO.

Potrivit măsurătorilor făcute de cercetătorii din Stuttgart, o vibrație a grupului de oxid de Cupru din stratul de YCBO a schimbat frecvența acestuia când superconductivitatea s-a activat la temperatura de tranziție. O vibrație a grupului de oxid de Mangan din stratul de LCMO a reacționat în același fel când ordinea feromagnetică s-a format în material. „Acest lucru nu ne surprinde” a spus Bernhard Keimer. „Dar nu ne-am așteptat ca și superconductivitatea să afecteze, de asemenea, vibrația oxidului de Mangan”.

Prin urmare cuplarea electron-fonon se face și ea simțită între limitele materialului, iar aceasta se petrece nu doar la limita dintre cele două substanțe ci în tot stratul de LCMO. Acest lucru este neașteptat, pentru că vibrațiile din adâncimile celor două straturi sunt de obicei la fel de independente precum doi copii care se joacă pe două leagăne alăturate. Cercetătorii din Stuttgart nu pot deocamdată să-și explice în întregime observațiile, dar au deja câteva idei și între timp indicații despre ce ar putea cauza cuplarea electron-foton de rază lungă.

Undele de densitate de sarcină explică cuplarea electron-fonon de rază lungă


O condiție pentru cuplarea peste limitele straturilor este că, exact la limită, atomii de Cupru și Magneziu sunt legați foarte strâns împreună de un atom de Oxigen în fiecare caz. Această legătură se comportă precum o coardă de cauciuc dintre două leagăne. Mai mult, atomii de Cupru şi Mangan pot oscila cu aceeași frecvență astfel încât o vibrație a atomilor de Cupru poate antrena ușor atomii de Magneziu. La fel cum doi copii se pot legăna în același ritm dacă leagănele lor au aceeași lungime, adică se leagănă cu aceeași frecvență. Și presupunând că cele două leagăne sunt conectate printr-o coardă puternică de cauciuc: un copil poate antrena pe celălalt dacă amândoi stau pe leagăne de aceeași lungime.

Un copil pe un asemenea tandem de leagăne are nevoie de ajutoare puternice pentru a antrena celălalt leagăn. În același fel,  supermatricea YBCO-LCMO necesită un puternic declanșator pentru ca atomii de Magneziu să reacționeze la vibrațiile atomilor de Cupru. Dacă declanșatorul vine de la electroni, mai precis din superconductivitatea nou-apărută, cuplajul electron-fonon trebuie să fie puternic. Sandvișul YBCO-LCMO îndeplinește și această condiție. „Faptul că efectul rămâne notabil în tot stratul de LCMO este posibil cauzat din nou de undele de densitate de sarcină din stratul de YCBO” explică Bernhard Keimer. „În prezentele experimente am găsit, de asemenea, indicații că structura de sandviș stabilizează această ordine în competiție”.

Cuplarea electron-fonon de rază lungă în supermatricea de LCMO-YCBO nu ajută la creșterea temperaturii la care superconductorul de înaltă temperatură își pierde rezistența electrică. „Dar ne oferă oportunitatea de a influența alte proprietăți precum efectul termic sau superconductivitatea convențională” explică Bernhard Keimer. Și adaugă la înțelegerea modului în care materialele magnetice și supercondutoare se influențează reciproc. Acest fapt aduce, la rândul său, cercetătorii din Stuttgart mai departe spre drumul către țelul final: dezvoltarea superconductorilor care pot transporta electricitatea într-un mod eficient dinspre fermele eoliene și parcurile solare spre consumator.

 

Traducere după conflict-superconductor de Răzvan Gavrilă, cu acordul editorului

Pt a posta comentarii: creați un cont pe site, folosiți contul de FB, Twitter sau Google ori postați ca vizitator (fără nicio formalitate de înregistrare). Pt vizitatori comentariile sunt moderate (nu se publică automat).

Loading comment... The comment will be refreshed after 00:00.

Fii primul care comentează.

Spune-ne care-i părerea ta...
caractere rămase.
Loghează-te ( Fă-ți un cont! )
ori scrie un comentariu ca „vizitator”

 


Sprijiniţi-ne cu o donaţie.


PayPal ()


Contact
| T&C | © 2020 Scientia.ro