Nadprzewodniki wysokotemperaturowe od czterech dekad są jednymi z najbardziej intensywnie badanych materiałów we współczesnej fizyce. Teraz naukowcy odkryli, że jedno z podstawowych założeń dotyczących ich budowy może być błędne. Szczegółowe badanie rentgenowskie pokazało, że analizowany materiał nie ma jednolitej struktury, lecz przypomina mozaikę złożoną z różnych obszarów krystalicznych. Odkrycie może zmusić fizyków do ponownego spojrzenia na część dotychczasowych modeli nadprzewodnictwa.
Nadprzewodniki wysokotemperaturowe skrywają większą złożoność
Nadprzewodniki mają właściwość, o której inżynierowie projektujący przyszłe sieci energetyczne mogą dziś tylko marzyć: potrafią przewodzić prąd elektryczny bez typowych strat energii związanych z oporem elektrycznym.
Gdy materiał przechodzi w stan nadprzewodzący, jego opór elektryczny spada do zera. Właśnie dlatego nadprzewodnictwo jest tak interesujące z punktu widzenia energetyki, elektroniki, komputerów i wielu innych technologii.
Problem w tym, że warunki potrzebne do osiągnięcia tego stanu są zazwyczaj dalekie od codziennych.
Nawet materiały określane jako nadprzewodniki wysokotemperaturowe wymagają bardzo niskich temperatur. „Wysoka temperatura” jest więc tutaj określeniem względnym – chodzi o temperaturę wysoką w porównaniu z klasycznymi nadprzewodnikami, a nie o komfortowe warunki panujące w pokoju.
Zrozumienie mechanizmów odpowiedzialnych za ich zachowanie jest jednym z warunków dalszego rozwoju tej technologii.
Nowe badanie naukowców z University of Warwick w Wielkiej Brytanii oraz Europejskiego Ośrodka Promieniowania Synchrotronowego we Francji pokazuje jednak, że nawet podstawowa wiedza o budowie tych materiałów może wymagać korekty.
Przez około 40 lat zakładano, że struktura jest jednorodna
W centrum badań znalazła się grupa wysokotemperaturowych nadprzewodników opartych na miedzi, określanych jako kupraty.
Materiały te zwróciły uwagę fizyków po ich odkryciu w 1986 roku. Przez kolejne dekady stały się przedmiotem ogromnej liczby eksperymentów oraz modeli teoretycznych.
Jedno z podstawowych założeń mówiło, że ich struktura krystaliczna jest wewnętrznie jednorodna.
Innymi słowy, fizycy traktowali materiał tak, jakby jego budowa była zasadniczo taka sama w całej objętości.
Nowe badanie opublikowane w „Physical Review Letters” podważa ten obraz.
Naukowcy odkryli, że analizowany kryształ może w rzeczywistości przypominać mozaikę złożoną z różnych struktur.
Chemik Mark Senn z University of Warwick zwraca uwagę, że przez cztery dekady przyjmowano jednorodność tych materiałów, a na tym założeniu oparto znaczną część teorii. Nowe pomiary pokazują, że przynajmniej w przypadku badanego materiału sytuacja jest bardziej skomplikowana.
Naukowcy zajrzeli do wnętrza LESCO
Badanym materiałem był LESCO – tlenek zawierający lantan, europ, stront i miedź.
Naukowcy analizowali jego strukturę w szerokim zakresie temperatur: od 300 kelwinów, czyli około 26,9 stopnia Celsjusza, aż do 100 kelwinów, odpowiadających około -173,2 stopnia Celsjusza.
Kluczowe znaczenie miała metoda określana jako trójwymiarowa dyfrakcja rentgenowska, czyli 3DXRD.
Technika pozwala szczegółowo badać strukturę krystaliczną znajdującą się wewnątrz materiału. Dzięki analizie promieniowania rentgenowskiego naukowcy mogą uzyskiwać informacje między innymi o odkształceniach i różnicach występujących w poszczególnych obszarach kryształu.
W przypadku LESCO umożliwiło to zajrzenie do wnętrza materiału z dokładnością, której wcześniej w podobnych badaniach nie osiągnięto.
I właśnie wtedy pojawiła się niespodzianka.
Zamiast jednego kryształu pojawiła się mozaika
Skanowanie ujawniło dwa różne układy atomów znajdujące się wewnątrz materiału.
Nie były to przy tym niewielkie, łatwe do pominięcia różnice.
Obszary o odmiennej strukturze oddzielały wyjątkowo szerokie granice – znacznie większe niż typowe granice spotykane w materiałach tego rodzaju.
W praktyce oznacza to, że badany nadprzewodnik nie zachowuje się strukturalnie jak idealnie jednorodny kryształ.
Bardziej przypomina mozaikę.
Poszczególne fragmenty mogą mieć odmienne właściwości, a znajdujące się między nimi granice mogą wpływać na zachowanie całego materiału.
Według Marka Senna szczególnie interesujące jest to, że szerokie obszary graniczne mogą wręcz przeciwdziałać nadprzewodnictwu, zamiast być jedynie neutralnymi granicami pomiędzy poszczególnymi strukturami.
To ważna różnica.
Struktura może wpływać na ruch elektronów
Nadprzewodnictwo jest ściśle związane z zachowaniem elektronów wewnątrz materiału.
Dlatego wszelkie różnice w strukturze krystalicznej mogą mieć znaczenie dla tego, jak elektrony poruszają się i oddziałują.
Nowo odkryte obszary oraz granice między nimi mogą wpływać między innymi na sposób, w jaki elektrony tworzą pary i organizują się wewnątrz materiału.
To właśnie te zależności naukowcy chcą dokładniej zbadać w kolejnych eksperymentach.
Jeżeli struktura wewnętrzna kupratów rzeczywiście jest bardziej niejednorodna, niż zakładano, może to pomóc wyjaśnić, dlaczego niektóre materiały wykazują lepsze właściwości nadprzewodzące od innych.
Może się również okazać, że część wcześniejszych eksperymentów trzeba będzie przeanalizować ponownie, uwzględniając odkrytą złożoność.
40 lat teorii nie znika, ale może wymagać korekty
Nowe wyniki nie oznaczają, że cztery dekady badań nad kupratami należy wyrzucić do kosza.
Pokazują jednak, że jeden z fundamentów wykorzystywanych do interpretowania tych materiałów był zbyt dużym uproszczeniem.
Jeżeli model zakłada jednorodny materiał, podczas gdy rzeczywisty kryształ składa się z różnych obszarów oddzielonych rozbudowanymi granicami, przewidywania takiego modelu mogą nie oddawać wszystkich procesów zachodzących wewnątrz próbki.
To właśnie dlatego odkrycie może mieć znaczenie wykraczające poza pojedynczy eksperyment.
Zdaniem Senna potrzebne mogą być zarówno nowe interpretacje wcześniejszych pomiarów wykonywanych dla całych próbek, jak i modele teoretyczne uwzględniające bardziej złożoną strukturę materiału.
Nadprzewodniki wysokotemperaturowe trzeba będzie zbadać ponownie
Na razie eksperyment koncentrował się na LESCO. Nie można więc automatycznie założyć, że identyczna struktura występuje we wszystkich kupratach.
Naukowcy chcą jednak wykorzystać 3DXRD do badania kolejnych materiałów.
To pozwoli sprawdzić, czy mozaikowa struktura odkryta w LESCO jest szczególną cechą tego związku, czy też podobne zjawisko występuje szerzej w całej grupie nadprzewodników.
Jeżeli okaże się powszechne, konsekwencje mogą być znaczące.
Fizycy będą musieli dokładniej uwzględniać lokalną strukturę kryształów podczas prób wyjaśnienia ich właściwości.
Może to również pomóc odpowiedzieć na jedno z najważniejszych pytań: dlaczego niektóre materiały stają się nadprzewodnikami w wyższych temperaturach niż inne.
Jeden materiał czy kilka materiałów w jednym?
Odkrycie prowadzi do jeszcze ciekawszego pytania.
Czy materiał taki jak LESCO powinien być traktowany jako jeden jednorodny nadprzewodnik, czy raczej jako układ kilku różniących się od siebie obszarów tworzących wspólną strukturę?
Dotychczas pierwsza odpowiedź wydawała się oczywista.
Nowe dane sprawiają, że sytuacja nie jest już tak prosta.
Jeżeli poszczególne obszary kryształu różnią się strukturą, a ich granice wpływają na nadprzewodnictwo, wtedy zachowanie całej próbki może wynikać ze współdziałania wielu lokalnych struktur.
To może być szczególnie ważne przy porównywaniu wyników różnych eksperymentów.
Dwa pozornie podobne materiały mogą bowiem różnić się nie tylko składem chemicznym czy temperaturą przejścia w stan nadprzewodzący, ale również wewnętrznym rozmieszczeniem poszczególnych struktur.
3DXRD może stać się ważnym narzędziem
Badanie pokazuje również, jak wiele zależy od rozwoju samych metod pomiarowych.
Przez dziesięciolecia naukowcy mogli badać kupraty i tworzyć coraz bardziej zaawansowane modele, a mimo to istotny element ich wewnętrznej struktury pozostawał ukryty.
Dopiero zastosowanie trójwymiarowej dyfrakcji rentgenowskiej pozwoliło zobaczyć różnice w odpowiedniej skali.
Autorzy pracy uważają, że podobne techniki eksperymentalne mogą być niezwykle przydatne w badaniu innych złożonych materiałów.
Dane strukturalne o wysokiej rozdzielczości mogą bowiem ujawnić szczegóły, których nie widać w pomiarach traktujących całą próbkę jako jednolitą całość.
Droga do nadprzewodnictwa w praktycznych temperaturach nadal jest długa
Nadprzewodniki fascynują naukowców nie bez powodu.
Materiały przewodzące prąd bez typowych strat energii mogłyby mieć ogromne znaczenie dla technologii. Problemem pozostają warunki, w których osiągają swoje niezwykłe właściwości.
Jednym z najważniejszych celów jest znalezienie lub zaprojektowanie materiałów zachowujących nadprzewodnictwo w znacznie bardziej praktycznych temperaturach i ciśnieniach.
Aby to osiągnąć, trzeba jednak dokładnie zrozumieć materiały, którymi już dysponujemy.
Nowe odkrycie pokazuje, że nawet po czterech dekadach badań nadprzewodniki wysokotemperaturowe nadal potrafią zaskoczyć.
Być może droga do lepszych nadprzewodników nie prowadzi wyłącznie przez odkrywanie kolejnych materiałów. Równie ważne może być dokładniejsze zrozumienie tych, które znamy już od dziesięcioleci.
W przypadku LESCO wystarczyło spojrzeć głębiej, by materiał uznawany za jednorodny okazał się znacznie bardziej skomplikowaną strukturą.
A w fizyce materiałowej taki szczegół może zmienić bardzo wiele.
Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Physical Review Letters .