Visai neseniai Raiso universiteto (JAV) tyrėjų vadovaujama komanda pasiūlė vieną pirmųjų teorinių paaiškinimų, kodėl dviejų skirtingų rūšių aukštatemperatūriai superlaidininkai elgiasi labai panašiai.
Tyrėjų darbas pasirodė šios savaitės žurnalo „Physical Review Letters“ internetiniame variante. Jame aprašoma, kaip dviejų skirtingų geležies pagrindo šeimos medžiagų, vadinamų pniktidais, magnetinės elektronų savybės sukelia superlaidumą. Viena iš pniktidų šeimų yra metalas, kuris buvo atrastas 2008 metais, kitą sudaro izoliatorius, atrastas 2010 metų pabaigoje. Eksperimentai atskleidė, jog kiekviena medžiaga, jeigu ji tinkamai paruošta, gali tapti superlaidininku praktiškai toje pačioje temperatūroje. Šis eksperimentinis faktas privertė teoretikus gerokai pasukti galvas bandant suprasti, kas panašiai verčia elgtis tokias skirtingas medžiagas.
Pagrindinis straipsnio autorius Kvimėjus Si (Qimiao Si) aiškina, jog atsakymas yra susijęs su vos pastebimu geležies atomų išsidėstymo kiekvienoje medžiagoje skirtumu. Pniktidai yra sluoksniuotos medžiagos, sudarytos iš geležies ir tarp jų įsiterpusių kitų medžiagų sluoksnių. Tyrinėdami naujausią dielektrinių medžiagų klasę, Kinijos mokslininkai surado būdą, kaip pasirinktinai pašalinti geležies atomus, taip geležies sluoksniuose paliekant tvarkingą vakansijų struktūrą.
K. Si, su naujų dielektrinių junginių atradimu susipažinęs vizito Kinijoje metu, ėmė įtarti, jog panašaus naujų ir senų junginių elgesio paaiškinimas yra susijęs su kolektyviniu elektronų elgesiu, kuomet medžiagos yra atšaldomos iki superlaidžios temperatūros. Jo ankstesnis darbas atskleidė, kad geležies atomų išsidėstymas senesnėse medžiagose gali lemti elektronų magnetinių momentų, dar vadinamų tiesiog sukiniais, kolektyvinį elgesį. Šie kolektyviniai elgesiai, arba kvazilokacijos, yra susijusios su aukštatemperatūriu superlaidumu tiek abejuose pniktiduose, tiek kituose aukštatemperatūriuose superlaidininkuose.
„Priežastis, kodėl mums pirmiesiems tai pavyko išsiaiškinti, yra susijusi su tuo, kad mes labai greitai suvokėme, jog į modelį reikia įtraukti vakansijų efektų, – teigia mokslininkas. – Grįždamas namo iš Kinijos aš jau mąsčiau apie skaičiavimus, kuriuos turėsime atlikti“.
Raiso universiteto tyrėjai taip pat bendradarbiavo su kolegomis iš Los Alamo nacionalinės laboratorijos (JAV).
„Mes išsiaiškinome, jog tvarkingos vakansijos padidina elektronų tendenciją apsiriboti nuo kaimyninių elektronų tam tikru atstumu, – aiškina kitas Raiso universiteto atstovas Rongas Ju (Rong Yu). – Šis reiškinys yra vadinamas Moto lokalizacija ir jis lemia dielektrinės būsenos susidarymą. Tai ką mes išsiaiškinome pavadinčiau visiškai nauju būdu pasiekti Moto lokalizaciją“.
Parodydami, jog paprasčiausias tvarkingų vakansijų sukūrimas gali užkirsti medžiagai kelią būti laidininku, tyrėjai apibendrino, kad netgi metališkieji geležies pniktidai pasižymi būsena, artima Moto lokalizacijai.
„Lygindami senąsias medžiagas su naujosiomis, mes sužinojome, jog šie kvazilokalizuoti sukiniai ir jų tarpusavio sąveika yra nepaprastai svarbi superlaidumui, – prideda kitas komandos narys Janas Žu (Jian Zhu). – Tai pamoka, kuri gali praversti patariant eksperimentuotojams, siekiantiems naujų junginių virsmo temperatūros kėlimo“.
Superlaidumas susidaro, kuomet elektronai sudaro poras ir per medžiagą ima keliauti laisvai, nepatirdami jokių energijos nuostolių, kurie paprastai neišvengiami dėl varžos. Nors šis reiškinys paprastai galimas esant itin žemoms temperatūroms, tokie junginiai, kaip pniktidai, superlaidžiais tampa aukštesnėse temperatūrose, kurios artimos skysto azoto temperatūrai. Tai reiškia, kad šios medžiagos gali būti panaudotos pramonėje. Viena iš kliūčių, stabdžiusių potencialų jų panaudojimą, buvo nesėkmingi bandymai paaiškinti, kas tiksliai lemia superlaidumo susidarymą. Šios paslapties įminimas netgi buvo įvardintas kaip viena iš didžiausių moderniosios fizikos mįslių.
„Naujieji superlaidininkai be jokios abejonės yra patys svarbiausi geležies pagrindo dariniai, kurie atrasti po pradinio 2008 metų aukštatemperatūrių geležies pniktidų superlaidininkų atradimo, – pabaigia pasakojimą K. Si. – Mūsų teoriniai rezultatai atskleidžia natūralų naujų ir senų geležies pagrindo superlaidininkų tarpusavio ryšį, suteikdami universalią šių medžiagų superlaidumo paaiškinimo kilmę“.
