Bljesak svjetlosti razbija električni otpor

Infracrveni laserski impulsi pretvaraju keramiku bakrovog oksida u superprovodnik

Munja bez otpora: Lesco1 / 8 keramika bakrenog oksida postaje superprovodna kada je ozračena laserskim impulsima. Trake se mogu vidjeti naizmjenično desno i lijevo nagnutim strukturnim elementima i redoslijedom vijuga elektrona (ljubičaste strelice). Laserski impuls izglađuje strukturu keramike tako da pretpostavlja superprovodno stanje. Činjenica da se ova promjena stanja odvija vrlo brzo daje fizičarima naznake kako tehnički zanimljiva keramika bakrovog oksida gubi električni otpor. © Joerg M. Harms / Max Planck Odjel za strukturnu dinamiku - Hamburg
čitati naglas

Izolator se može pretvoriti u superprevodnik laserskim bljeskalicom: Hamburški su istraživači to otkrili u novoj studiji, o kojoj sada izvještavaju u znanstvenom časopisu "Science".

Zračena keramika je također kratko vrijeme bila izvor gubitka u eksperimentu fizičara oko Andrea Cavalleri iz istraživačke grupe Max Planck za strukturalnu dinamiku na Sveučilištu u Hamburgu, nakon što se lasersko svjetlo ugasilo.

Istraživači su također iznenađeni brzinom kojom se može stvoriti supravodobno stanje. Promatranja doprinose razumijevanju takozvanih visokotemperaturnih supravodiča, klase supravodiča koji bi jednog dana mogli provoditi struju na sobnoj temperaturi bez gubitaka, pa stručnjaci stoga očekuju veliki potencijal primjene.

Željeznice za magnetske levitacije koje su brze i energetski učinkovite

Kablovska mreža koja provodi magnetske levitacije bez gubitka energije, ili vrlo brzi, a istovremeno energetski učinkoviti magnetski levitacijski strojevi, ovi bi snovi u budućnosti mogli postati stvarnost uz pomoć takozvanih super-provodnika na visokoj temperaturi. Ove vrste supravodiča - obično keramika bakrovog oksida - provode struju na relativno visokim temperaturama bez gubitaka.

Dok superprevodni metali gube električni otpor samo kad se ohlade na nekoliko stupnjeva iznad apsolutne nulte temperature na oko minus 273 stupnja Celzijusa, neki visokotemperaturni superprevodnici pretpostavljaju super provođenje pri kritičnoj temperaturi od oko minus 100 stupnjeva Celzijusa. Ovo je ponašanje usko povezano s slojevitom strukturom materijala, podsjeća na hrpu papira. prikaz

Istraživači žele razviti novu keramiku koja će poprimiti supravodljiva svojstva čak i na sobnoj temperaturi i unijeti nevjerojatan fizički učinak iz laboratorija u svakodnevni život. Ali oni ne razumiju u potpunosti zašto visokotemperaturni supervodiči ikada postaju superprovodni, što otežava pronalazak superprovodnika prikladnog za svakodnevnu uporabu. Nalazi istraživača oko Cavallerija sada bi mogli pomoći da se to promijeni.

Striped red

Hamburški fizičari koristili su svojevrsni kristal bakrenog oksida za svoje eksperimente, u kojima su atomi elemenata lantana, europija i stroncija smješteni između slojeva bakrovog oksida. Kritična temperatura ove keramike obično ovisi o omjeru koncentracije lantana i stroncija. U određenom omjeru koncentracije, naime sa spojem La1.675Eu0.2Sr0.125CuO4, ukratko LESCO1 / 8, ne dolazi do supravodljivosti čak do najnižih temperatura.

To je vjerojatno povezano s posebnošću u kristalnoj strukturi Lesco1 / 8, koju istraživači nazivaju prugastim uzorkom: Oktaedri koji čine slojeve keramike bakrovog oksida nisu paralelni jedan s drugim u Lesco1 / 8 kao u slučaju Lesco1 / 8 Slična keramika bakrenog oksida. Umjesto toga, naslonjeni su jedan na drugog tako da nas jedan sloj više podsjeća na valovitu ploču, a ne na papir. To je također povezano s prugastim redoslijedom električnog naboja i magnetskih trenutaka (vrtnje). Crta pruga sprječava, dakle, pretpostavku teorijskih fizičara da ispod kritične temperaturne struje može strujati između pojedinih slojeva.

Puls od infracrvenog laserskog svjetla

Hamburški istraživači u suradnji sa znanstvenicima iz Engleske i Japana poslali su puls infracrvenog laserskog svjetla na Lesco1 / 8 kristal koji su se prethodno ohladili na minus 263 Celzijeva stupnja. Laserski puls trajao je nekoliko femtosekundi, vrijeme u kojem je svjetlost manja od tisućine milimetra. Odmah nakon toga, istraživači su poslali puls teraherca keramikom i izmjerili koliko se dobro odražava. Iz reflektivnosti se može utvrditi je li točka u kojoj je laser pogodio postala superprovodna. Zapravo je to bio slučaj.

Superprovodnost bi već mogla biti iznad kritične temperature

"Naročito nas je iznenadilo koliko je brzo došlo do nadprovodnog stanja", kaže Cavalleri. Trebalo joj je samo oko pikosekunde - trilijun sekunde - za to vrijeme svjetlost odustaje desetina milimetra unatrag. "Kratko vrijeme ukazuje da prugasti poredak već sadrži podatke o stanju supravodičnog provoda, a da on sam nije supravodljiv", kaže Cavalleri.

Brz prijelaz u supravodobno stanje ne može se objasniti ako su elektroni prethodno bili bez ikakve sinkronizacije, kao što je to slučaj u normalnom provodnom stanju. Neki teorijski fizičari tvrde da u prugastom redoslijedu već teku tekuće supravodljive struje, koje se međusobno neutraliziraju.

Laser briše prugasti red

Cavalleri i njegovi kolege pretpostavljaju da laserski impuls, gdje prodire u keramiku, eliminira prugasti red, da tako kažem, pretvara valovitu ploču u glatki karton. To omogućava da supravodljiva struja struji između slojeva, pružajući tako vanjski mjerljivu supravodljivost.

Prijedlog da se superprevodni poredak formira u Lesco1 / 8 već iznad kritične temperature također pomaže u razumijevanju supravodljivosti druge keramike bakrovog oksida. Znanstvenici sumnjaju da se unutar slojeva formira prekursor superprovodljivosti čak i iznad kritične temperature, tako da se elektroni više ne kreću neovisno jedan o drugome. Ali tek kada padnu ispod kritične temperature, elektroni se sinkroniziraju između slojeva i dolazi do supravodljivosti.

Elektroni se kreću sinkrono

U osnovi, u visokotemperaturnom superprevodniku, ista se stvar događa kod fizičara kao u konvencionalnom supravodiču. Ispod kritične temperature elektroni se u materijalu kombiniraju kako bi tvorili parove koji se nazivaju Cooper parovi. Cooper parovi se ponašaju poput novih kvantnih čestica koje imaju sposobnost da im nedostaje elektrona: svi mogu pretpostaviti isto kvantno mehaničko stanje. Ilustrativno, to znači da se svi elektroni kreću sinkrono.

Kako više nije moguće da jedan elektron izvodi dodatne turneje, više ne može odvratiti svoj put nepravilnostima u kristalnoj rešetki. Ovaj otklon dovodi do normalnog otpora električnog otpora. Međutim, još uvijek je neshvatljivo kako se elektroni u visokotemperaturnim superprevodnicima okupljaju u Cooper-ove parove, ukratko: kako funkcionira njihova sinkronizacija.

Novi obrazložni pristupi za sinkronizaciju

Rezultati Hamburških istraživača sada pružaju nova objašnjenja za sinkronizaciju, ali mogu imati i praktični učinak. "Superprevodno stanje je sačuvano nakon što se laserski impuls ugasi", naglašava Cavalleri. Keramika ostaje superprovođena milijun puta duže nego što laserski impuls traje gotovo milijun sekundi sekunde. Supravodljivo stanje koje generira laserska svjetlost je "zaštićeno stanje", objašnjava Cavalleri, pa je sustavu potrebno neko vrijeme da se vrati u svoje stanje ne-provođenja.

"Možda se takvo stanje može stabilizirati", kaže Cavalleri. To mora pokazati budućnost. Sljedećim ciljem svog istraživanja fizičar naziva porast kritične temperature. Cavalleri: "Možda možemo povisiti kritičnu temperaturu materijala poput Lesco1 / 8 na minus 253 stupnja pomoću lasera s minus 273 Celzijeva stupnja", objašnjava Cavalleri. "Ako je to moguće, možemo napraviti materijal koji je obično minus 250 stupnjeva Celzijus gubi električni otpor, možda, zbog čega je laser superprovodljiv čak i na sobnoj temperaturi. "

(MPG, 17.01.2011. - DLO)