Forskning afslører nye aspekter af superledning og korrelerede fænomener

Opdaget ved et uheld for over et århundrede siden, fænomenet superledning inspirerede til en teknologisk revolution. I 1911, mens man studerer opførselen af ​​fast kviksølv underafkølet til 4 K (-269 °C), Den hollandske fysiker Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) observerede for første gang, at visse materialer leder elektricitet uden modstand eller tab ved temperaturer i nærheden af ​​det absolutte nulpunkt.

Interessen genoplivede i 1980'erne, da superledning blev eksperimentelt observeret ved meget højere temperaturer i området 90 K (-183 °C). Denne rekord blev senere overgået, og videnskabsmænd søger nu superledning ved stuetemperatur.

Disse oplysninger giver baggrunden for en undersøgelse, som for nylig blev udført af Solid State Physics Group ved São Paulo State University (UNESP) i Rio Claro, Brasilien. Den primære efterforsker var Valdeci Pereira Mariano de Souza. Ud over andre forskere med tilknytning til UNESP, holdet omfattede forskere fra Paris South University (Orsay) i Frankrig.

I Rio Claro, forskerholdet brugte udstyr købt med støtte fra São Paulo Research Foundation - FAPESP for at opnå resultaterne, som dannede grundlag for en artikel publiceret i Fysisk gennemgang B .

"I flere materialer, den superledende fase manifesteres i nærheden af ​​det, der er kendt som Mott-isoleringsfasen. Mott metal-isolator overgangen er en pludselig ændring i elektrisk ledningsevne, der opstår ved en given temperatur, når Coulomb frastødningen mellem elektroner bliver sammenlignelig med den frie elektron kinetiske energi, sagde Mariano.

"Når Coulomb-afvisningen bliver relevant, elektronerne, der var omrejsende, bliver lokaliserede, og dette minimerer systemets samlede energi. Denne elektronlokalisering er Mott-isoleringsfasen. I nogle tilfælde, en endnu mere eksotisk proces udspiller sig. På grund af interaktionerne mellem elektroner, der optager nabosteder i netværket, elektronerne omarrangerer sig i netværket på en ikke-homogen måde, og der opstår en såkaldt 'afgiftsbestillingsfase'. Vores undersøgelse omhandlede denne form for fænomen."

Når opladningsbestillingsfasen indtræffer, den ikke-homogene ladningsfordeling, som nogle gange er ledsaget af en forvrængning af det krystallinske netværk, gør materialet elektrisk polariseret, og som et resultat, det opfører sig som et ferroelektrisk materiale. Denne fase er kendt som den "ferroelektriske Mott-Hubbard fase" efter to britiske fysikere, der studerede emnet:Nevill Mott (1905-96), 1977 Nobelpristager i fysik, og John Hubbard (1931-80).

For eksperimentelt at udforske disse eksotiske faser, UNESP-forskerne valgte et materiale kaldet Fabre-salte, som er dannet af et organisk molekyle, tetramethyltetrathiafulvalen (TMTTF), med en symmetrisk konfiguration omfattende en central dobbelt carbonbinding og to methylradikaler på hver side. De brugte en kryostat, også erhvervet med FAPESP's støtte, at nå det koldeste og mest magnetiske punkt, der er tilgængeligt på UNESP, med en temperatur på 1,4 K og et 12 Tesla felt.

"Med denne eksperimentelle opsætning, vi sigtede ikke kun på at karakterisere materialer, selvom det er vigtigt, men for at undersøge de grundlæggende egenskaber ved stof, der manifesterer sig under ekstreme forhold, " sagde Mariano. "Fabre-salte har ekstremt rige fasediagrammer for dem, der udfører denne form for forskning. De pågældende molekylære systemer var allerede blevet undersøgt ved hjælp af nuklear magnetisk resonansbilleddannelse, infrarød spektroskopi og andre teknikker. Det, vi i det væsentlige gjorde, var at måle deres dielektriske konstanter i lavfrekvensregimet."

Det er værd at huske på, at dielektricitetskonstanten varierer fra materiale til materiale og, mens det er en makroskopisk størrelse, det fortæller os, hvor polariserbart et materiale er.

"I betragtning af at Fabres salte er meget anisotrope og derfor har stærkt krystallografisk retningsafhængige transportegenskaber, når opkrævningsbestilling finder sted, vi observerer Mott-Hubbard elektrisk polarisering i hele TMTTF-stakken. Denne polarisering er betydelig og blev rapporteret i litteraturen i 2001, " sagde den FAPESP-støttede forsker.

"Det ioniske bidrag til dielektricitetskonstanten af ​​disse materialer blev målt for første gang i denne undersøgelse. Vi fandt ud af, at når temperaturen falder, ionbidraget falder også, som giver anledning til Mott-Hubbard-fasen. Dette var en ny observation, som endnu ikke var blevet rapporteret i litteraturen - et virkelig originalt bidrag fra vores side. Vi undersøgte også virkningen af ​​lidelsen induceret af bestråling i Mott-Hubbard-fasen i detaljer."

Dette er vigtigt, han tilføjede, på grund af den nærhed af Mott-Hubbards ferroelektriske fase til superledning.

"William Lille, emeritus professor i fysik ved Stanford University, anførte, at lavdimensionelle molekylære ledere ville være kandidater til at opnå superledning ved stuetemperatur. I sit arbejde, Lidt foreslog, at superledning ved stuetemperatur ville blive opnået ved hjælp af 'rygge', eller ledende kæder med meget polariserbare sidekæder. De materialer, vi studerer, har netop disse elementer, " sagde Mariano.

Produktionen af ​​rygsøjler var et første skridt. Det næste skridt, som allerede er blevet udtænkt af forskerne i Rio Claro, er at stresse Fabre-salte for at inducere superledning i Mott-Hubbard ferroelektriske fase.