Εξερευνώντας το φαινόμενο της υπεραγωγιμότητας οι ερευνητές βρήκαν στοιχεία μιας εξωτικής κατάστασης ύλης

Χρησιμοποιώντας υπέρψυχρα άτομα, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Χαϊδελβέργης έχουν βρει μια εξωτική κατάσταση ύλης όπου τα σωμάτια που τη συνιστούν ζευγάρωναν όταν περιορίστηκαν σε δυο διαστάσεις. Τα ευρήματα από το πεδίο της κβαντικής φυσικής μπορεί να περιέχουν σημαντικά στοιχεία για τα ενδιαφέροντα φαινόμενα της υπεραγωγιμότητας. Τα αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Science.

Οι υπεραγωγοί είναι υλικά μέσω των οποίων το ηλεκτρικό ρεύμα ρέει χωρίς καμιά αντίσταση μόλις ψύχονται κάτω από μια ορισμένη κρίσιμη θερμοκρασία. Η τεχνολογικά πιο σχετική τάξη υλικών, με εξαιρετικά υψηλές κρίσιμες θερμοκρασίες για την υπεραγωγιμότητα, είναι ελάχιστα κατανοητή μέχρι τώρα. Υπάρχουν ωστόσο στοιχεία, ότι για να συμβεί υπεραγωγιμότητα, ένας ορισμένος τύπος σωματιδίων – τα φερμιόνια – πρέπει να ζευγαρώνουν. Επιπλέον, έρευνα έχει δείξει ότι τα υλικά που γίνονται υπεραγωγοί σε σχετικά υψηλά θερμοκρασίες έχουν πολυεπίπεδες δομές. «Αυτό σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια σε αυτά τα συστήματα μπορούν να κινηθούν μόνο σε δισδιάστατα επίπεδα», εξηγεί ο Καθηγητής Dr Selim Jochim του Ινστιτούτου Φυσικής του Πανεπιστημίου της Χαϊδελβέργης, ο οποίος είναι επικεφαλής στο πρόγραμμα. «Αυτό που δεν είχαμε κατανοήσει μέχρι τώρα ήταν πώς η αλληλεπίδραση του ζεύγους και η διαστατικότητα μπορούν να οδηγήσουν σε υψηλότερες κρίσιμες θερμοκρασίες».

Για να εξερευνήσουν αυτό πρόβλημα, οι ερευνητές στο Κέντρο Κβαντοδυναμικής έκαναν πειράματα στα οποία εγκλώβισαν ένα αέριο υπέψυχρων ατόμων σε δισδιάστατες παγίδες που δημιούργησαν χρησιμοποιώντας εστιασμένες δέσμες λέιζερ. «Σε στερεά υλικά όπως τα οξείδια του χαλκού, υπάρχουν πολλά διαφορετικά φαινόμενα και προσμίξεις που καθιστούν τα υλικά αυτά δύσκολα στο να μελετηθούν. Για αυτό και χρησιμοποιούμε υπέρψυχρα άτομα για να προσομοιάσουμε τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων στα στερεά. Αυτό μας επέτρεψε να δημιουργήσουμε πολύ καθαρά δείγματα και μας έδωσε πλήρη έλεγχο πάνω σε βασικές παραμέτρους του συστήματος», αναφέρει ο Puneet Murthy, από το Κέντρο για την Κβαντοδυναμική στο Πανεπιστήμιο της Χαϊδελβέργης και ένας από τους συγγραφείς της μελέτης.

Σε ένα γνωστό και καλά κατανοητό σενάριο, το ζευγάρωμα προκαλείται αποκλειστικά από την έλξη μεταξύ δυο φερμιονίων (πράσινες γραμμές). Ωστόσο οι επιστήμονες της Χαϊδελβέργης βρήκαν ότι με ισχυρές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των φερμιονίων, λαμβάνει χώρα ένας διαφορετικός τύπος ζευγαρώματος, με ισχυρή εξάρτηση από την πυκνότητα του περιβάλλοντος μέσου (γκρι σκιασμένες γραμμές). Αυτό δείχνει ότι σε αυτή την κατάσταση, κάθε σωματίδιο όχι μόνο ζευγαρώνει με ένα άλλο σωματίδιο, αλλά ότι υπάρχουν επιπρόσθετες συσχετίσεις με άλλα σωματίδια του περιβάλλοντός του.

Χρησιμοποιώντας μια τεχνική γνωστή ως φασματοσκοπία ραδιοσυχνότητας, οι ερευνητές μέτρησαν την απόκριση των ατόμων σε ένα ραδιοκυματικό παλμό. Από αυτή την απόκριση, μπόρεσαν να πουν ακριβώς εάν ή όχι τα σωματίδια δημιουργούσαν ζεύγη και με ποιο τρόπο. Αυτές οι μετρήσεις διενεργήθηκαν επίσης για διαφορετικές εντάσεις αλληλεπίδρασης μεταξύ φερμιονίων. Στην πορεία των πειραμάτων, οι ερευνητές ανακάλυψαν μια εξωτική κατάσταση ύλης. Η θεωρία υποστηρίζει ότι τα φερμιόνια με ασθενή αλληλεπίδραση θα έπρεπε να ζευγαρώνουν σε θερμοκρασία στην οποία αυτά γίνονται υπεραγώγιμα. Ωστόσο, όταν ο επιστήμονες αύξησαν την αλληλεπίδραση μεταξύ των φερμιονίων, βρήκαν ότι το ζευγάρωμα συνέβαινε σε θερμοκρασίες πολλές φορές υψηλότερες από την κρίσιμη θερμοκρασία.

«Για να καταφέρουμε τον τελικό μας σκοπό της καλύτερης κατανόησης των φαινομένων αυτών, θα αρχίσουμε με μικρά συστήματα όπου βάζουμε μαζί άτομο με άτομο», λέει ο Καθ. Jochim. Στην έρευνα εμπλέκονται επίσης επιστήμονες από το Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής του Πανεπιστημίου της Χαϊδελβέργης και από το Πανεπιστήμιο Simon Fraser στο Βανκούβερ στον Καναδά.