Un nou tip de supraconductibilitate

Supraconductibilitatea este un fenomen în  care rezistența electrică a unui material conductor devine zero, dacă temperatura acestuia este mai mică decât o anumită valoare caracteristică materialului.

Fizicienii au încercat să obţină supraconductibilitatea la temperatura camerei, dar progresele înregistrate în acest sens au fost lente. Cu toate acestea, fizicienii au descoperit recent un supraconductor care se comportă într-un mod necunoscut anterior și care deschide noi perspective privind utilizarea supraconductibilităţii.

Cu alte cuvinte, cercetătorii au descoperit un nou tip de supraconductibilitate.

De ce este importantă supraconductibilitatea?

Curentul electric care trece printr-un material, cum ar fi firele din perete atunci când aprindem lumina, este rapid, dar surprinzător de ineficient.

Electricitatea este transportată de electroni care se ciocnesc cu atomii din material de-a lungul drumului lor,  pierzând astfel o parte din energie la fiecare ciocnire cu atomii materialului.

Chiar și materialele care sunt bune conductoare de electricitate sunt totuşi ineficiente în comparație cu supraconductorii. De exemplu, în reţelele de distribuţie se pierde aproximativ 7% din energie sub formă de căldură ca rezultat al rezistențelor electrice.

Atunci când anumite materiale sunt răcite până aproape de 0 K se produce fenomenul de supraconductibilitate, atunci când electronii încep să se deplaseze ordonat fără a întâmpina rezistență din partea materialului.

Datorită acestei proprietăţi, echipamentele electronice ar putea deveni mult mai eficiente din punct de vedere energetic.

Vestea bună este că oamenii de ştiinţă au constatat producerea acestui fenomen în multe materiale. Supraconductibilitatea este deja utilizată pentru a crea câmpuri magnetice puternice în tomografele cu rezonanţă magnetică și trenurile maglev, trenuri cu levitație magnetică.

Vestea proastă este că în prezent avem nevoie de echipamente scumpe și voluminoase pentru a menține supraconductorii suficient de reci, ceea ce înseamnă că supraconductibilitatea nu poate fi utilizată pe scară largă.

Recent, cercetătorii conduşi de University of Maryland au observat un nou tip de supraconductibilitate atunci când au studiat un material exotic la temperaturi foarte scăzute. În acest caz supraconductibilitatea se produce într-un material cu proprietăţi neobişnuite, ca urmare a unor interacțiuni dintre electroni care nu au mai fost observate până în prezent.

Credit: Emily Edwards, University of Maryland

Pentru a înțelege diferența dintre acest material exotic şi materialele supraconductoare obişnuite, trebuie să știți că modul prin care electronii interacționează între ei este dictat de o proprietate cuantică denumită spin.

În supraconductorii obișnuiți, electronii au spinul 1/2, dar într-un material special, cunoscut sub numele de YPtBi, cercetătorii au constatat că electronii par a avea spinul 3/2.

„Nimeni nu a crezut cu adevărat că acest lucru este posibil în materiale solide.

În atomii individuali sunt posibile stări caracterizate de o valoare ridicată a spinului, dar atunci când aceşti atomi ajung să facă parte dintr-un solid aceste stări se pierd, în mod obișnuit, și în consecinţă spinul electronilor revine la valoarea de 1/2″, a explicat Johnpierre Paglione, fizician și autorul principal al studiului.

Fizicienii au descoperit că YPtBi este un supraconductor în urmă cu câțiva ani și aceasta a fost în sine o mare surpriză, deoarece acest material nu are proprietăţile obişnuite ale unui supraconductor, adică să fie un material relativ bun conductor cu un număr mare de electroni mobili la o temperatură obişnuită.

Conform teoriei, YPtBi ar avea nevoie de aproximativ o mie de ori mai mulți electroni mobili pentru a deveni supraconductor la o temperatură mai mică de 0,8 K. Cu toate acestea, atunci când cercetătorii au răcit materialul, ei au constatat apariţia fenomenului de supraconductibilitate.

Pentru a înţelege ce se întâmplă, cercetătorii au analizat modul cum a interacționat acest material cu câmpurile magnetice. De obicei, atunci când un material se află într-o fază de tranziţie către starea de supraconductor, câmpurile magnetice de la suprafața acestuia dispar.

Cu toate acestea, câmpurile magnetic pot persista în apropiere de suprafaţa materialului înainte să dispară. Cât de mult pătrund aceste câmpuri magnetice în material depinde de modul cum interacţionează între ei electronii.

Cercetătorii au folosit bobine din cupru pentru a detecta modificările proprietăților magnetice ale materialului YPtBi în funcţie de temperatură. Ei au constatat că pe măsură ce materialul s-a încălzit, intensitatea câmpului magnetic care a pătruns în material a crescut liniar în loc să crească exponențial, aşa cum s-a constatat în cazul supraconductorilor obişnuiţi.

Cercetătorii au concluzionat că cea mai bună explicație pentru ceea ce s-a întâmplat a fost aceea că electronii s-au transformat în particule cu spin mai mare de 1/2.

Chiar dacă acest nou tip de supraconductibilitate necesită temperaturi incredibil de scăzute, această descoperire deschide noi direcţii de cercetare.

„Ce anume asigură legătura dintre perechile de particule având spinul mai mare de 1/2?

Pentru găsirea răspunsului la această întrebare fundamentală sunt necesare cercetări suplimentare şi acesta este doar unul dintre motivele pentru care studiul acestui nou tip de supraconductibilitate este fascinant”, a declarat Paglione.

Cercetarea a fost publicată în Science Advances.

Sursă: ScienceAlert