|
|
 |
Νοκάουτ στη θεωρία
|
|
|
|
|
|
|
Αφότου ανακαλύφθηκαν πριν 18 χρόνια, οι υπεραγωγοί υψηλής κρίσιμης θερμοκρασίας, ή θερμοκρασίας μετάβασης, Tc, παραμένουν ένα αίνιγμα. Αυτά τα κεραμικά του οξειδίου του χαλκού άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα χωρίς απώλειες, σε θερμοκρασίες κατά πολύ υψηλότερες από αυτές που απαιτούνται για τους συμβατικούς υπεραγωγούς, αν και είναι ακόμα αρκετά μικρότερες από τη θερμοκρασία δωματίου. Οι φυσικοί γνωρίζουν ότι και στους δύο τύπους υλικών η υπεραγωγιμότητα οφείλεται στο ζευγάρωμα των ηλεκτρονίων και την αθρόα συγκέντρωσή τους σε μια απλή συλλογική κβαντική κατάσταση. Δεν γνωρίζουν όμως τι είδους «κόλλα» προκαλεί αυτό το ζευγάρωμα στους υπεραγωγούς υψηλής κρίσιμης θερμοκρασίας. Έχουν προταθεί πολλές ιδέες, καμία όμως δεν έχει αποδειχθεί. Μια πρόσφατη πειραματική μελέτη προτείνει την απόρριψη δύο σημαντικών πιθανών θεωρητικών προτάσεων.
Στους υπεραγωγούς χαμηλής κρίσιμης θερμοκρασίας, η καίρια αλληλεπίδραση μεταξύ των ηλεκτρονίων επιτυγχάνεται μέσω ταλαντώσεων του πλέγματος των θετικών ιόντων του μετάλλου. Ένα ηλεκτρόνιο διαταράσσει το πλέγμα καθώς το διαπερνά και μικροδευτερόλεπτα αργότερα η διαταραχή επιδρά σε ένα δεύτερο ηλεκτρόνιο που ακολουθεί. Οι ταλαντώσεις του πλέγματος ονομάζονται φωνόνια και συμπεριφέρονται ακριβώς όπως τα στοιχειώδη σωματίδια, ενώ η εκπομπή και η απορρόφησή τους από τα ηλεκτρόνια προκαλεί μια ασθενή ελκτική αλληλεπίδραση. Οι φυσικοί αποκαλούν αυτό το συμβατικό μοντέλο θεωρία BCS, από τα ονόματα των επιστημόνων που ανέπτυξαν το μαθηματικό της μέρος το 1957 (Bardeen-Cooper-Shrieffer).
Μετά την ανακάλυψη των υπεραγωγών υψηλής Tc, το 1986, οι φυσικοί γρήγορα κατάλαβαν ότι η λιτή θεωρία BCS αδυνατούσε να ερμηνεύσει τη συμπεριφορά των νέων υλικών. Κατ’ αρχάς, οι θερμικές ταλαντώσεις σε αυτές τις υψηλές θερμοκρασίες θα έπρεπε να εξουδετερώνουν την οποιαδήποτε έλξη δημιουργείται από τα φωνόνια. (Πιο πρόσφατα, όμως, αυτός ο περιορισμός αμφισβητήθηκε.) Δεύτερον, η αντικατάσταση διαφορετικών ισοτόπων σε έναν υπεραγωγό BCS μεταβάλλει τα χαρακτηριστικά των φωνονίων (τα βαρύτερα άτομα ταλαντώνονται πιο αργά), με αποτέλεσμα τη μεταβολή της κρίσιμης θερμοκρασίας κατά αυστηρά καθορισμένη ποσότητα. Στους υπεραγωγούς υψηλής κρίσιμης θερμοκρασίας, όμως, η μεταβολή γίνεται κατά διαφορετικές ποσότητες. Επιπλέον, υπάρχουν και άλλα λεπτομερή χαρακτηριστικά που είναι δύσκολο να ερμηνευθούν με τη θεωρία BCS.
Τελευταία, οι φυσικοί μελετούν μια «οξεία καμπή» ―ένα σπάσιμο― που εμφανίζεται σε γραφήματα τα οποία παριστάνουν τις ενέργειες των ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων ως συνάρτηση της δύναμης που ευθύνεται για το «ζευγάρωμά» τους. Πολλοί ερευνητές έχουν συσχετίσει την καμπή αυτή με ένα είδος συλλογικής κατάστασης μεταξύ των ηλεκτρονίων, η οποία ονομάζεται μαγνητικός συντονισμός. Μια πειραματική ομάδα έχει υποστηρίξει ότι για την καμπή ευθύνονται τα φωνόνια ―ένα αποτέλεσμα που θα προκαλούσε ανατροπή της συμβατικής θεώρησης για τους νέους υπεραγωγούς.
Αποτελέσματα πειραμάτων που διεξήχθησαν στο Πανεπιστήμιο McMaster (Οντάριο, Καναδάς) και το Εθνικό Εργαστήριο στο Μπρουκχέιβεν (ΗΠΑ) φαίνεται ότι απορρίπτουν τόσο τον μαγνητικό συντονισμό όσο και τα φωνόνια ως υποψήφιες αιτίες συγκόλλησης. Στο πείραμα αυτής της ομάδας, σε έναν υπεραγωγό διαβιβάστηκε υπέρυθρη ακτινοβολία, και η ποσότητα της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας σε κάθε μήκος κύματος παρείχε ένα μέτρο των ενεργειών των ζευγών ηλεκτρονίων. Οι φυσικοί, με επί κεφαλής τον Thomas Timusk του McMaster, ανακάλυψαν ότι για μια συγκεκριμένη συχνότητα της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας εμφανίζεται μία οξεία κορυφή και συνάμα και ένα ευρύ υπόβαθρο σκέδασης που απλωνόταν σε όλες τις συχνότητες. Η οξεία κορυφή σχετίζεται ολοφάνερα με την καμπή που παρατηρήθηκε στα άλλα πειράματα, εξαφανίστηκε όμως στην περίπτωση του λεγόμενου υπερεμπλουτισμένου υλικού, το οποίο διαθέτει πάρα πολλά άτομα οξυγόνου για βέλτιστη υπεραγωγιμότητα. (Τα υπερεμπλουτισμένα υλικά εμφανίζουν υπεραγωγιμότητα, σε χαμηλότερες όμως θερμοκρασίες καθώς ο εμπλουτισμός με προσμίξεις ενισχύεται.) Το γεγονός αυτό αποκλείει τα φωνόνια ως πιθανή γενεσιουργό αιτία της κορυφής και της καμπής, αφού τα φωνόνια θα όφειλαν να εμφανίζονται σε όλα τα υλικά, ακόμα και στα υπερεμπλουτισμένα. Ούτε όμως μπορεί και τα φωνόνια να ευθύνονται για το ευρύ υπόβαθρο, διότι, τότε, το υπόβαθρο θα απεκόπτετο στις υψηλές συχνότητες· ωστόσο κάτι τέτοιο δεν συμβαίνει.
Η οξεία κορυφή ―οι συνθήκες υπό τις οποίες εμφανίζεται― ταίριαζε καλά με ό,τι αναμενόταν στην περίπτωση του μαγνητικού συντονισμού. Αλλά η ερμηνεία αυτή έχει μια ισχυρή αδυναμία, αφού η εν λόγω κορυφή χάνεται σε υπερεμπλουτισμένα υλικά τα οποία εντούτοις εξακολουθούν να εμφανίζουν υπεραγωγιμότητα. Αρα, δεν μπορεί να ευθύνεται για την υπεραγωγιμότητα.
Οπότε τελικά απομένει το ευρύ υπόβαθρο, το οποίο ο Timusk και οι συνεργάτες του θεωρούν πιθανόν ότι σηματοδοτεί την όποια διαδικασία συνδέει πραγματικά τα ηλεκτρόνια σε ζεύγη. Ο Michael Norman, επιστήμων των υλικών στο Εθνικό Εργαστήριο της Αργκόν (Σικάγο), ισχυρίζεται ότι, αν και ο πολυμελετημένος συντονισμός δεν μπορεί να αποτελεί την αναζητούμενη αιτία συγκόλλησης, υπάρχουν σοβαροί λόγοι να πιστεύουμε ότι η «κόλλα» είναι μαγνητικής φύσεως. Συνεπώς, η αναζήτηση συνεχίζεται. Δύο υποψήφιοι μπορεί να αποκλείστηκαν, ωστόσο ο γρίφος παραμένει.
|
|
|
|
|
|
