Vrzel v superprevodnosti

Fiziki odkrijejo novo nenavadno lastnost

Levo: V kovinah se negativno nabiti elektroni gibljejo skozi kristalno mrežo pozitivno nabitih ionov. Električni upor v normalnih kovinah nastane, ker elektroni privlačijo pozitivne ione in izgubljajo energijo. Prav: V superprevodnem stanju drugi elektron privlači oblak ionov s pozitivnim nabojem, ki se zberejo okoli prvega elektrona. Kot rezultat, oba elektrona tvorita Cooperjev par, ki se lahko prosto giblje skozi kristalno rešetko. © Bernhard Keimer / MPI za raziskave trdnih snovi
prebral

Zakaj preproste kovine pod določeno temperaturo povzročajo izgubo električne energije, je bilo dejansko dolgo pojasnjeno. Toda Stuttgartski fiziki so zdaj odkrili lastnost superprevodnikov, ki jih trenutna teorija ne more razložiti.

V svoji študiji so raziskali, kako se elektroni obnašajo v svinčevem svincu in niobij v superprevodnem stanju. Znanstveniki so identificirali doslej skriti detajl Fermijeve površine, ki opisuje porazdelitev energije elektronov. Ko elektroni prevzamejo stanje superprevodnega stanja, nastane vrzel na površini Fermi, torej se porazdelitev energije spremeni.

Fiziki so zdaj odkrili, da je velikost energijske vrzeli odvisna od oblike Fermijeve površine. Do zdaj sta se ti dve lastnosti šteli za neodvisni med seboj, s teorijo, ki je bila sprejeta 50 let, pa njune notranje povezave ni mogoče razložiti, trdijo raziskovalci v trenutni spletni izdaji Science.

Elektroni preskočijo energijsko vrzel

Ni zdravih ljudi, ampak le slabo raziskani - trdijo nekateri zdravniki. Mogoče celo neka fizikalna teorija ostane neprepoznana, dokler je ni mogoče dovolj natančno preizkusiti. Zdi se, da to velja za teorijo BCS. Ime je dolžan začetnicam treh fizikov Bardeena, Cooperja in Schriefferja in opisuje konvencionalno superprevodnost kovin.

Tako njihovi prosti elektroni, ki vodijo tok, prihranijo energijo pod določeno, zelo nizko temperaturo, ko se zlijejo v Cooperjeve pare. Poganjajo jih vibracije kristalne rešetke. Ker se pari lahko premikajo po kovinski mreži, ne da bi se trčili v njene atome. zaslon

Za prekinitev vezi Cooperjevega para je potrebna določena količina energije. Fiziki pravijo, da morajo elektroni preskočiti energijsko vrzel. Ta vrzel se odpre le pri kritični temperaturi, pri kateri kovina izgubi odpornost. "V kovinskih svincih in niobiju smo zelo dobro videli, kako se energijska vrzel odpira pod kritično temperaturo, " pravi Bernhard Keimer z Inštituta za raziskave trdnih snovi Max Planck in vodja študije.

Gore in doline

Obenem so fiziki na obeh kovinah opazili pojav, ki je bil do zdaj veljal za popolnoma neodvisnega od superprevodnosti. Iz njihovih merilnih rezultatov lahko tudi potegnejo hrbte, saj je Fermijeva kovinska površina natančno videti. Narišejo reliefni zemljevid, v katerem se elektronom z določenim zagonom ali določeno hitrostjo dodeli energija - gore stojijo za veliko elektronov, za nekaj ljudi. Na tem zemljevidu so našli doslej neznane hribe - ki jih tam nihče ni pričakoval.

Te hribe fiziki imenujejo Kohnove anomalije. Na teh točkah elektroni še posebej zlahka udarijo z vibrirajočimi atomi, ker izvajajo primeren impulz - podobno kot mora otrok premikati noge v pravem ritmu, ko zamahne, da pridobi zagon. Po rezultatih fizikov se energijske vrzeli v superprevodnem stanju le povečajo do te mere, da elektroni s prav temi impulzi ali energijami ne morejo tvoriti Cooperjevih parov.

Dejstvo, da Kohnove anomalije sovpadajo z energijskimi vrzeli, ne more biti naključno, saj se srečujejo tako v svincu kot v niobiju, «Keimer razloži:» Brez Konove anomalije w Kovine lahko pri višjih temperaturah postanejo superprevodne.

Izmerjene vibracije kovinskih atomov

Do zdaj ni bilo mogoče izmeriti niti vplivov energijskih vrzeli niti Konovih anomalij na vibracije rešetke. Stuttgartski fiziki so uspeli, ker so sposobni izmeriti vibracije kovinskih atomov na posebej občutljiv način, in sicer s pomočjo razpršitve nevtronov s spiralnim odmevom: udarijo v atome v začetni smeri Z nevtroni napolnjeni jedrni gradniki, ki jih sprožijo na svojem vzorcu. Ti nevtroni lahko veljajo za vrteče se žiroskope. Keimer in njegovi sodelavci so poskrbeli, da so osi vseh nevtronskih žiroskopov vzporedne in da se vsi vrtijo v isto smer - vrteli so polarizirane nevtrone, kot jih imenujejo fiziki.

Glede na to, kako dolgo vibrirajo impulzni atomi, je vrstni red vrtljajev na koncu merilnega aparata bolj ali manj zmeden. Nevtroni ostanejo popolnoma spino polarizirani, ko udarjeni kovinski atomi vibrirajo v nedogled. A to storijo le, če ne trčijo v elektrone, ki se prosto gibljejo skozi kovino. In to je samo takrat, ko elektroni tvorijo superprevodne Cooperjeve pare.

Kononove anomalije izdajajo ravno nasprotno: dušijo vibracije rešetk in zato povzročajo nevtronske spinove zelo zmedene. Po trajanju vibracij rešetke fiziki sklepajo o energijskih pogojih v svojih vzorcih - in dobijo več kot 1000-krat podrobnejšo sliko, kot jo omogoča običajno sipanje nevtronov.

Razširite teorijo

"Ta zelo natančna metoda merjenja nam je dala nov vpogled v materiale, za katere smo mislili, da jih poznamo skozi in skozi, " pravi Keimer. Zakaj fiziki še ne vedo, zakaj Kohnove anomalije in energijske vrzeli tako nepričakovano propadajo? "O tem lahko le ugibamo, " pravi Keimer. Možno je, da elektroni obeh kovin tvorijo periodične modulacije gostote naboja. Tu se elektroni porazdelijo po točno določenem vzorcu - učinek, ki tekmuje s superprevodnostjo, vendar je že opažen v povezavi s Kohnovimi anomalijami.

"Tako v superprevodnosti kot v periodični modulaciji gostote naboja elektroni sprejmejo urejena stanja, ki lahko medsebojno delujejo, " predlaga Keimer. Da bi na koncu pojasnili povezavo, morajo fiziki verjetno razširiti teorijo BCS.

(MPG, 25.02.2008 - DLO)