Supergeleiding werd ontdekt in 1911, maar de eigenschappen en kenmerken zijn nog niet volledig bestudeerd. Nieuw onderzoek naar nanodraden helpt te begrijpen hoe dit fenomeen verloren gaat.
Het probleem van het koud houden van dranken in hete zomers is een klassieke les van faseovergang. Ze moeten worden bestudeerd, de stof moet worden verwarmd en de veranderingen in zijn eigenschappen moeten worden waargenomen. Wanneer je het zogenaamde kritieke punt bereikt, voeg dan water of warmte toe - en kijk hoe de stof verandert in gas (of stoom).
Stel je nu voor dat je alles hebt afgekoeld tot zeer lage temperaturen - zo erg zelfs dat alle thermische effecten verdwenen zijn. Welkom in de kwantumrealiteit, waar druk- en magnetische velden op geen enkele manier invloed hebben op het ontstaan van nieuwe fasen! Dit fenomeen wordt kwantumfaseovergang genoemd. In tegenstelling tot een conventionele transitie vormt een kwantumtransitie geheel nieuwe eigenschappen, zoals supergeleiding (in sommige materialen).
Als je een supergeleidend metaal onder spanning zet, zullen elektronen zonder weerstand door het materiaal gaan en zal elektrische stroom oneindig lang stromen, zonder te vertragen of warmte te genereren. Sommige metalen worden supergeleidend bij hoge temperaturen, wat belangrijk is bij krachtoverbrenging en dataverwerking op basis van supergeleiders. Wetenschappers hebben dit fenomeen 100 jaar geleden ontdekt, maar het mechanisme van supergeleiding zelf blijft een mysterie, aangezien de meeste materialen te complex zijn om de fysica van de kwantumfase-overgang in detail te begrijpen. Dus de beste strategie in dit geval is om je te concentreren op het leren van minder complexe modelsystemen.
Natuurkundigen van de Universiteit van Utah hebben ontdekt dat supergeleidende nanodraden gemaakt van een molybdeen-germaniumlegering kwantumfase-overgangen ondergaan van supergeleidend naar gewoon metaal wanneer ze bij lage temperaturen in een gewoon magnetisch veld worden geplaatst. Deze studie onthulde eerst het microscopisch proces waarbij een materiaal zijn supergeleiding verliest: een magnetisch veld breekt elektronenparen op - Cooper-paren werken samen met andere paren van hetzelfde type - en ze ervaren een dempingskracht van ongepaarde elektronen in het systeem.
Het onderzoek is gedetailleerd in een kritische theorie voorgesteld door Adrian Del Maestro, assistent-professor aan de Universiteit van Vermont. De theorie beschrijft nauwkeurig hoe de evolutie van supergeleiding afhangt van de kritische temperatuur, de grootte van het magnetische veld en de oriëntatie, het dwarsdoorsnedegebied van de nanodraad en de microscopische eigenschappen van het materiaal waaruit het is gemaakt. Dit is de eerste keer op het gebied van supergeleiding dat alle details van de kwantumfaseovergang theoretisch worden voorspeld, bevestigd op echte objecten in het laboratorium.
"Kwantumfaseovergangen klinken misschien heel exotisch, maar ze worden in veel systemen waargenomen - van de centra van sterren tot atoomkernen, en van magneten tot isolatoren", zegt Andrey Rogachev, assistent-professor aan de Universiteit van Utah en hoofdauteur van de studie. "Zodra we kwantumvibraties in dit eenvoudiger systeem begrijpen, kunnen we over elk detail van het microscopisch proces praten en dit toepassen op meer complexe objecten."
Promotie video:
