Mokslininkų grupė, tirianti medžiagą, kuri sudaro pagrindą kupratų (vario-oksido) superlaidininkuose, atrado ryšį tarp skirtingų tos medžiagos būsenų, arba dar vadinamų fazėmis. Šiam ryšiui aprašyti jie sukūrė matematinę teoriją. Manoma, kad gauti rezultatai padės mokslininkams spręsti apie medžiagos elgesį įvairiomis sąlygomis bei leis paaiškinti kaip medžiaga virsta superlaidininku, galinčiu perduoti elektros srovę be energijos nuostolių.
Mokslininkų grupė, tirianti medžiagą, kuri sudaro pagrindą kupratų (vario-oksido) superlaidininkuose, atrado ryšį tarp skirtingų tos medžiagos būsenų, arba dar vadinamų fazėmis. Šiam ryšiui aprašyti jie sukūrė matematinę teoriją. Šį darbą aprašantis straipsnis atspausdintas „Science“ žurnale. Manoma, kad gauti rezultatai padės mokslininkams spręsti apie medžiagos elgesį įvairiomis sąlygomis bei leis paaiškinti kaip medžiaga virsta superlaidininku, galinčiu perduoti elektros srovę be energijos nuostolių.
„Svarbiausias tikslas yra panaudoti mūsų žinias apie vario oksido medžiagas, kurios pasižymi pageidaujamomis savybėmis, tai yra gali veikti kaip superlaidininkai prie pakankamai aukštų temperatūrų įvairiuose įrenginiuose, skirtuose elektros energijos perdavimui“, – pasakė Kornelio universiteto (Cornell University) Fizikos mokslų profesorius Semusas Deivisas (J.C. Séamus Davis), kuris yra vienas iš straipsnio bendraautorių. Deivisas taip pat yra Superlaidumo centro (Center for Emergent Superconductivity), kuris priklauso JAV Energijos departamento Brukhaveno nacionalinei laboratorijai (U.S. Department of Energy's Brookhaven National Laboratory), direktorius. „Jei jūs norite suprasti, kaip galima medžiagą panaudoti, jums reikia teorinio supratimo, kaip medžiaga veikia įvairiomis sąlygomis, – pasakė Deivisas. Pavyzdžiui, nebūtų stalinių kompiuterių, jei mes nebūtume turėję teorijos, kuri aprašytų silicio elgesį. Kaip žinome, silicis yra pagrindinė kompiuterinės atminties ir procesorinių lustų dalis. – Norint pasiekti tokios pat rūšies galimybes valdant kupratų superlaidininkus, tai yra medžiagas, turinčias milžinišką potencialą didinant energijos panaudojimo efektyvumą, mums reikia kiekybinio supratimo, bet kartu turime suprasti vykstančius procesus.“
Kairėje pusėje parodyti teorijos numatyti singuliarumo taškai kupratų superlaidininkuose. Dešinėje pusėje parodyti matavimų rezultatai
Viena iš problemų yra susijusi su dideliu būsenų, kuriomis pasižymi vario oksido superlaidininkai, skaičiumi. Šios būsenos konkuruoja su superlaidine medžiagos būsena. Siekdami suprasti šias skirtingas būsenas mokslininkai pritaikė metodą, vadinamą spektroskopine vaizdo skenavimo tuneline mikroskopija. Šis metodas buvo išvystytas Deiviso. Jis leidžia pavaizduoti elektronus atominiame lygmenyje kiekvienoje stebimoje fazėje. Mokslininkai turėjo tikslą nustatyti, kurios iš galimų būsenų yra pagrindinės, o kurios yra silpnesnės, kaip atskiros būsenos viena su kita sąveikauja ir kas atsitinka pažeidus „jėgų“ balansą.
Viena iš būsenų pasižymi periodiniu elektroninės struktūros kitimu. Panašiai kaip bangos su periodiškai išsidėsčiusiais maksimumais ir minimumais. Ši būsena suteikia juostų formos pavidalą visai kristalinei medžiagos struktūrai. Kitai būsenai būdingas kitimas kiekvienoje kristalo gardelėje, tai yra kitimas būdingas kiekvienam atskiram elektronui.
Deiviso išvystytas metodas leido stebėti medžiagos „topologinius defektus“ – sūkurių pavidalo iškrypimus juostų formos elektroninėje struktūroje. Stebėti „topologiniai defektai“ sudaro ryšį tarp šių medžiagos fazių.
Elektronų debesėlio apskaičiuotas pasiskirstymas vario-oksido sluoksnyje, kuris yra kuprato superlaidininko pseudo draustinės juostos būsenoje. Mėlyni taškai žymi varo atomų padėtis. Elektronų tankis aplink deguonies atomus (paveikslėlyje jie nėra pažymėti) skiriasi „šiaurės“ bei „pietų“ kryptimis vario atomų atžvilgiu
Topologiniai defektai yra panašūs į stebėtus skystų kristalų būsenose. Tai leido grupėje dirbusiems teoretikams sukurti teoriją, remiantis patirtimi su skystų kristalų medžiagomis. Naujoji teorija paaiškina dviejų kupratų būsenų egzistavimą bei numato jų tarpusavio ryšį atominiame lygmenyje. Teorija turėtų padėti mokslininkams aprašant medžiagos savybes makroskopiniame lygmenyje, tai yra kaip medžiaga elgiasi realiame pasaulyje, ir kaip šis elgesys keičiasi keičiantis tam tikroms sąlygoms, pavyzdžiui, kristalų simetrijai. „Vis tik dar nežinome, ar tai susiję su aukštatemperatūriniu superlaidumu, – pasakė Deivisas. – Tačiau mes norime atsakyti į šį klausimą.“
Pirmajame paveikslėlyje pavaizduota iškreipta vario-oksido medžiagos juostinė elektroninė struktūra. Iškreipimas matomas šakutės formos. Vidurinėje ir apatinėje paveikslėlio dalyse parodyta, kaip iškreipimas struktūroje sukasi apie pagrindinį defektą. Mokslininkai nustatė, kad šis sukimasis yra susijęs su tarpusavyje konkuruojančiomis medžiagos fazėmis. Šis atradimas suteikė raktą kuriant matematinę teoriją, kuri aprašo ryšį tarp dviejų fazių. Mokslininkai tikisi, kad jų teorija leis valdyti šias elektronines fazes bei, galiausiai, leis suprasti ryšį su superlaidine būsena.
