Τη χρονιά που πέρασε, η υπεραγωγιμότητα – η ροή ηλεκτρικού ρεύματος με μηδενική αντίσταση – ανακαλύφθηκε σε τρία διαφορετικά υλικά. Δύο περιπτώσεις επεκτείνουν την κατανόηση του φαινομένου από τα εγχειρίδια. Η τρίτη την καταστρέφει εντελώς. “Πρόκειται για μια εξαιρετικά ασυνήθιστη μορφή υπεραγωγιμότητας που πολλοί άνθρωποι θα έλεγαν ότι δεν είναι δυνατή”, δήλωσε ο Ashvin Vishwanath, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ που δεν συμμετείχε στις ανακαλύψεις.
Από το 1911, όταν ο Ολλανδός επιστήμονας Heike Kamerlingh Onnes είδε για πρώτη φορά την ηλεκτρική αντίσταση να εξαφανίζεται, η υπεραγωγιμότητα έχει γοητεύσει τους φυσικούς. Υπάρχει το καθαρό μυστήριο του πώς συμβαίνει: Το φαινόμενο απαιτεί τα ηλεκτρόνια, τα οποία μεταφέρουν το ηλεκτρικό ρεύμα, να ζευγαρώσουν. Τα ηλεκτρόνια απωθούνται μεταξύ τους, οπότε πώς μπορούν να ενωθούν;
Υπάρχει και η τεχνολογική υπόσχεση: Ήδη, η υπεραγωγιμότητα έχει επιτρέψει την ανάπτυξη μηχανημάτων μαγνητικής τομογραφίας και ισχυρών επιταχυντών σωματιδίων. Αν οι φυσικοί μπορούσαν να κατανοήσουν πλήρως πώς και πότε εμφανίζεται το φαινόμενο, ίσως θα μπορούσαν να κατασκευάσουν ένα καλώδιο που να υπεραγωγεί τον ηλεκτρισμό σε καθημερινές συνθήκες και όχι αποκλειστικά σε χαμηλές θερμοκρασίες, όπως συμβαίνει σήμερα. Θα μπορούσαν να ακολουθήσουν τεχνολογίες που θα άλλαζαν τον κόσμο – δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας χωρίς απώλειες, μαγνητικά αιωρούμενα οχήματα.
Η πρόσφατη πληθώρα ανακαλύψεων έχει επιτείνει το μυστήριο της υπεραγωγιμότητας και έχει αυξήσει την αισιοδοξία. “Φαίνεται ότι, στα υλικά, η υπεραγωγιμότητα βρίσκεται παντού”, δήλωσε ο Matthew Yankowitz, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Ουάσινγκτον.
Οι ανακαλύψεις προέρχονται από μια πρόσφατη επανάσταση στην επιστήμη των υλικών: Και οι τρεις νέες περιπτώσεις υπεραγωγιμότητας προκύπτουν σε συσκευές που συναρμολογούνται από επίπεδα φύλλα ατόμων. Αυτά τα υλικά παρουσιάζουν πρωτοφανή ευελιξία: με το πάτημα ενός κουμπιού, οι φυσικοί μπορούν να τα αλλάξουν μεταξύ αγώγιμων, μονωτικών και πιο εξωτικών συμπεριφορών – μια σύγχρονη μορφή αλχημείας που έχει επιταχύνει το κυνήγι της υπεραγωγιμότητας.
Φαίνεται πλέον όλο και πιο πιθανό ότι το φαινόμενο μπορεί να οφείλεται σε διάφορες αιτίες. Ακριβώς όπως τα πουλιά, οι μέλισσες και οι λιβελούλες πετούν χρησιμοποιώντας διαφορετικές δομές φτερών, έτσι και τα υλικά φαίνεται να ζευγαρώνουν τα ηλεκτρόνια με διαφορετικούς τρόπους. Ακόμη και καθώς οι ερευνητές συζητούν τι ακριβώς συμβαίνει στα διάφορα εν λόγω δισδιάστατα υλικά, αναμένουν ότι ο αυξανόμενος ζωολογικός κήπος των υπεραγωγών θα τους βοηθήσει να επιτύχουν μια πιο καθολική άποψη του γοητευτικού φαινομένου.
Σύζευξη ηλεκτρονίων
Η υπόθεση των παρατηρήσεων του Kamerlingh Onnes (και της υπεραγωγιμότητας που παρατηρήθηκε σε άλλα εξαιρετικά ψυχρά μέταλλα) λύθηκε τελικά το 1957. Οι John Bardeen, Leon Cooper και John Robert Schrieffer ανακάλυψαν ότι σε χαμηλές θερμοκρασίες, το νευρικό ατομικό πλέγμα ενός υλικού ηρεμεί, οπότε εμφανίζονται πιο λεπτά φαινόμενα. Τα ηλεκτρόνια έλκουν απαλά τα πρωτόνια στο πλέγμα, τραβώντας τα προς τα μέσα, ώστε να δημιουργηθεί περίσσεια θετικού φορτίου. Αυτή η παραμόρφωση, γνωστή ως φωνόνιο, μπορεί στη συνέχεια να προσελκύσει ένα δεύτερο ηλεκτρόνιο, σχηματίζοντας ένα “ζεύγος Cooper”. Τα ζεύγη Cooper μπορούν να ενωθούν όλα μαζί σε μια συνεκτική κβαντική οντότητα με τρόπο που δεν μπορούν οι μοναχικές εκλογές.
Η προκύπτουσα κβαντική σούπα γλιστράει χωρίς τριβή ανάμεσα στα άτομα του υλικού, τα οποία κανονικά εμποδίζουν την ηλεκτρική ροή.
Η θεωρία των Bardeen, Cooper και Schrieffer για την υπεραγωγιμότητα με βάση τα φωνόνια τους χάρισε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1972. Αποδείχθηκε όμως ότι δεν ήταν όλη η ιστορία.
Στη δεκαετία του 1980, οι φυσικοί διαπίστωσαν ότι οι κρύσταλλοι με χαλκό που ονομάζονται κυπριακοί κρύσταλλοι μπορούσαν να υπεραγωγιμοποιηθούν σε υψηλότερες θερμοκρασίες, όπου οι ατομικές κλυδωνισμοί ξεπλένουν τα φωνόνια. Ακολούθησαν και άλλα παρόμοια παραδείγματα.
Οι θεωρητικοί επινόησαν νέους τρόπους σύζευξης ηλεκτρονίων.
Οι υπεραγωγοί υψηλότερης θερμοκρασίας φαίνεται να έχουν άτομα τοποθετημένα με τρόπο που επιβραδύνει τα ηλεκτρόνια. Και όταν τα ηλεκτρόνια έχουν την ευκαιρία να αναμειχθούν με χαλαρό τρόπο, δημιουργούν συλλογικά ένα περίτεχνο ηλεκτρικό πεδίο που μπορεί να τα κάνει να κάνουν νέα πράγματα, όπως να σχηματίζουν ζεύγη αντί να απωθούνται. Οι φυσικοί υποψιάζονται τώρα ότι στα κυπρικά άλατα, συγκεκριμένα, τα ηλεκτρόνια μεταπηδούν μεταξύ των ατόμων με έναν ιδιαίτερο τρόπο που ευνοεί τη δημιουργία ζευγών. Αλλά άλλοι “μη συμβατικοί” υπεραγωγοί είναι ακόμα αρκετά μυστηριώδεις.
Στη συνέχεια, το 2018, ένας νέος υπεραγωγός άνοιξε τα μάτια των φυσικών ευρύτερα.
Ο Pablo Jarillo-Herrero, φυσικός στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης, διαπίστωσε ότι αν πάρετε ένα φύλλο ατόμων άνθρακα τοποθετημένο σε κυψελοειδές πλέγμα – έναν δισδιάστατο κρύσταλλο που ονομάζεται γραφένιο – το στρίψετε ακριβώς κατά 1,1 μοίρες και το τοποθετήσετε πάνω σε ένα άλλο φύλλο γραφενίου, τα δύο στρώματα θα μπορούσαν να υπεραγωγιμοποιηθούν.
Οι ερευνητές είχαν ήδη ασχοληθεί με 2D υλικά και είχαν βρει ποικίλες συμπεριφορές. Εφαρμόζοντας ηλεκτρικά πεδία, μπορούσαν να προσθέσουν ηλεκτρόνια στο φύλλο ή να κάνουν τα ηλεκτρόνια να αισθάνονται σχεδόν σαν να συστέλλεται το ατομικό πλέγμα. Η τροποποίηση αυτών των ρυθμίσεων σε μία μόνο 2D συσκευή θα μπορούσε να αναπαράγει τη συμπεριφορά χιλιάδων έως εκατομμυρίων πιθανών υλικών.
Μεταξύ αυτών των σωρών δυνατοτήτων, όπως είχε δείξει ο Jarillo-Herrero, ήταν ένας νέος υπεραγωγός: το γραφένιο “μαγικής γωνίας”.
Στη συνέχεια, μερικά χρόνια αργότερα, μια ομάδα στην Καλιφόρνια αφαίρεσε τη μαγική γωνία, διαπιστώνοντας ότι συσκευές γραφενίου τριών στρωμάτων, χωρίς συστροφές, μπορούσαν επίσης να υπεραγωγιμοποιηθούν.
Οι ερευνητές εξακολουθούν να συζητούν γιατί τα ηλεκτρόνια κολλάνε μαζί σε αυτές τις περιπτώσεις. Τα φωνόνια ταιριάζουν με τα δεδομένα κατά κάποιο τρόπο, αλλά κάτι νέο φαίνεται επίσης να είναι υπεύθυνο.
Αλλά αυτό που πραγματικά ενθουσίασε τους φυσικούς ήταν η υπόσχεση ενός νέου τρόπου για τη διερεύνηση της υπεραγωγιμότητας γενικά. Οι παραμετροποιήσιμες 2D συσκευές τους είχαν απαλλάξει από την ταλαιπωρία του σχεδιασμού, της καλλιέργειας και της δοκιμής νέων κρυστάλλων έναν προς έναν. Οι ερευνητές θα μπορούσαν τώρα να αναδημιουργήσουν γρήγορα τα αποτελέσματα πολλών διαφορετικών ατομικών πλεγμάτων σε μία μόνο συσκευή και να ανακαλύψουν ακριβώς τι είναι ικανά να κάνουν τα ηλεκτρόνια.
Η ερευνητική στρατηγική αποδίδει τώρα καρπούς. Φέτος, οι φυσικοί βρήκαν τις πρώτες περιπτώσεις υπεραγωγιμότητας σε δισδιάστατα υλικά εκτός του γραφενίου, καθώς και μια εντελώς νέα μορφή υπεραγωγιμότητας σε ένα νέο σύστημα γραφενίου. Οι ανακαλύψεις διαπίστωσαν ότι οι προηγούμενοι υπεραγωγοί γραφενίου σηματοδοτούν απλώς τα περίχωρα μιας νέας άγριας ζούγκλας.
Μια υπόδειξη που δικαιώνεται
Το 2020, ο φυσικός Cory Dean και η ομάδα του στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια δοκίμασαν να στοιβάξουν φύλλα ενός διαφορετικού δισδιάστατου κρυστάλλου – αυτή τη φορά, μια κυψελωτή διάταξη δύο τύπων ατόμων, που ονομάζεται διχαλκογονίδιο μετάλλων μετάπτωσης (TMD). Όταν στράβωσαν τα φύλλα κατά 5 μοίρες, η αντίσταση έπεσε προς το μηδέν(ανοίγει νέα καρτέλα) αλλά δεν έμεινε εκεί. Ήταν μια ασαφής ένδειξη υπεραγωγιμότητας.
Η διστακτική φύση της ανίχνευσης δεν εμπόδισε τον Liang Fu ανοίγει προσπαθήσουν να την εξηγήσουν του MIT και τον Constantin Schrade του Louisiana State University να . Υποψιάστηκαν ότι τα φωνόνια δεν ήταν η απάντηση. Τα στριμμένα υλικά είναι ισχυρά επειδή η συστροφή αλλάζει αυτό που βιώνουν τα ηλεκτρόνια, προσδίδοντας στο υλικό ένα καλειδοσκοπικό μοτίβο “moiré”. Το moiré διαθέτει μεγάλα εξαγωνικά κύτταρα που λειτουργούν σαν τεχνητά άτομα, φιλοξενώντας ηλεκτρόνια. Σε αυτό το νέο περιβάλλον, τα ηλεκτρόνια κινούνται αρκετά αργά ώστε οι συλλογικές ηλεκτρικές αλληλεπιδράσεις τους να καθοδηγούν τη συμπεριφορά τους.
Πώς όμως τα ηλεκτρόνια συνωμοτούσαν για να σχηματίσουν ζεύγη; Η ομάδα του Κολούμπια διοχέτευσε ηλεκτρόνια μέσα στο moiré.
Παρατήρησαν ότι όταν υπήρχε ένα ηλεκτρόνιο για κάθε ένα από τα μεγάλα κύτταρα στο υλικό moiré, τα ηλεκτρόνια αυτά έπαιρναν μια “αντιφερρομαγνητική” διάταξη- τα εγγενή μαγνητικά τους πεδία έτειναν να εναλλάσσονται μεταξύ της κατεύθυνσης προς τα πάνω και προς τα κάτω. Η προσθήκη επιπλέον ηλεκτρονίων στο moiré έκανε την αντίσταση να πέσει στο μηδέν – είχαν σχηματιστεί ζεύγη Cooper. Οι Fu και Schrade υποστήριξαν ότι η ίδια δράση ηλεκτρονίου-σε-ηλεκτρόνιο έκανε δυνατή τόσο την αντιφερρομαγνητική κατάσταση όσο και την υπεραγώγιμη κατάσταση. Με ένα ηλεκτρόνιο ανά κύτταρο, κάθε ηλεκτρόνιο μπορεί να έχει μια προτιμώμενη θέση και έναν μαγνητικό προσανατολισμό. Όταν όμως συσσωρεύονται επιπλέον ηλεκτρόνια, η μαγνητική διάταξη γίνεται ασταθής και όλος ο πληθυσμός αρχίζει να ρέει ελεύθερα.
Τα επιστημονικά περιοδικά απέρριψαν αρχικά την εργασία των Fu και Schrade που περιέγραφε αυτές τις ιδέες, επειδή δεν υπήρχαν αδιάσειστα στοιχεία ότι τα TMD μπορούν να υπεραγωγιμοποιηθούν. Τώρα υπάρχουν. Η ομάδα του Κολούμπια πέρασε τα τελευταία τέσσερα χρόνια βελτιώνοντας την ικανότητά της να μετράει την ηλεκτρική αντίσταση σε χαμηλές θερμοκρασίες και νωρίτερα φέτος είχαν μια σημαντική ανακάλυψη. Συναρμολόγησαν μια άλλη συσκευή δύο φύλλων με μια συστροφή 5 μοιρών, την έκαναν ψύξη και την παρακολούθησαν να υπεραγωγιμοποιείται(ανοίγει νέα καρτέλα) – μια παρατήρηση που θα δημοσιευτεί σύντομα στο Nature. “Ιδού, βλέπουμε ότι η κατάσταση που νομίζαμε ότι υπήρχε εμφανίζεται ακριβώς στο σωστό σημείο”, δήλωσε ο Dean. “Είναι μια μικρή δικαίωση”.
Η θεωρία των Fu και Schrade -που ενισχύεται από την επιβεβαίωση του Κολούμπια- έχει πλέον δημοσιευθεί, αλλά δεν είναι αποδεδειγμένη. Ένας τρόπος για να ελεγχθεί είναι να ελεγχθεί αν τα ζεύγη Cooper μπορούν να περιστραφούν, όπως προβλέπει η θεωρία. Αυτό είναι ένα ασυνήθιστο χαρακτηριστικό, καθώς τα ηλεκτρόνια που ζευγαρώνουν με φωνόνια δεν περιστρέφονται μεταξύ τους.
Η προσθήκη ηλεκτρονίων σε ένα αντιφερρομαγνητικό μέταλλο δεν είναι ο μόνος τρόπος για την επίτευξη υπεραγωγιμότητας στα TMD. Λίγο πριν από την ανακάλυψη του Κολούμπια, μια άλλη ομάδα βρήκε ένα ακόμη πιο περίεργο είδος υπεραγωγιμότητας στο ίδιο υλικό.
Οι Jie Shan και Kin Fai Mak, ένα ακαδημαϊκό ζευγάρι που διευθύνει εργαστήριο στο Πανεπιστήμιο Cornell, αναζητούσαν την υπεραγωγιμότητα σε TMDs από την ανακάλυψη της Jarillo-Herrero με το στριμμένο γραφένιο το 2018. Πέρασαν χρόνια αναμειγνύοντας και ταιριάζοντας πέντε είδη κρυστάλλων TMD, δοκιμάζοντας διαφορετικές γωνίες συστροφής και θερμοκρασίες και εφαρμόζοντας διάφορες εντάσεις ηλεκτρικού πεδίου στο υλικό – ψάχνοντας σε ένα τεράστιο άχυρο για μια υπεραγώγιμη συσκευή.
Όταν τελικά εμφανίστηκε η βελόνα, εμφάνισε ένα είδος υπεραγωγιμότητας που κανείς δεν είχε προβλέψει.
Η ομάδα του Κολούμπια είχε ξεκινήσει με ένα αντιφερρομαγνητικό μέταλλο και είχε προσθέσει ηλεκτρόνια. Η ομάδα του Cornell, ωστόσο, ξεκίνησε με έναν μονωτή και δεν πρόσθεσε τίποτα. Το μοτίβο moiré τους – το οποίο προέκυψε από μια ηπιότερη συστροφή 3,5 μοιρών – επέτρεψε στα ηλεκτρόνια να επιβραδυνθούν τόσο πολύ και να αλληλεπιδράσουν τόσο έντονα, ώστε όλα να κολλήσουν στη θέση τους ακριβώς ένα ηλεκτρόνιο ανά κύτταρο.
Στη συνέχεια, η ομάδα έκανε τη συσκευή υπεραγώγιμη απλώς ρυθμίζοντας την ένταση του εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου. Αυτό το αποτέλεσμα, το οποίο οι ερευνητές ανέφεραν στο Nature(ανοίγει νέα καρτέλα) τον Οκτώβριο, δεν ταιριάζει με καμία δημοφιλή θεωρία της υπεραγωγιμότητας.
“Πραγματικά φαίνεται σαν να συμβαίνει κάτι άλλο”, δήλωσε ο Vishwanath.
Μια αληθινή κατανόηση
Ενώ οι φυσικοί δεν μπορούν να πουν με βεβαιότητα τι είναι αυτό που συνδέει τα ηλεκτρόνια σε αυτά τα δισδιάστατα υλικά, αισθάνονται πιο σίγουροι ότι υπάρχουν πολλοί τρόποι για να γίνει αυτό. Τα ηλεκτρόνια οργανώνονται σε όλα τα είδη των υλικών, από μονωτές έως μαγνητικά μέταλλα και ηλεκτρονικούς κρυστάλλους, και μικρές διαταραχές φαίνονται έτοιμες να ανατρέψουν πολλά από αυτά τα υλικά σε υπεραγώγιμα ζεύγη ηλεκτρονίων.
Η δυνατότητα να δουν άμεσα τι συμβαίνει όταν προσθέτουν περισσότερα ηλεκτρόνια σε ένα υλικό ή όταν αποδυναμώνουν ελαφρώς το ηλεκτρικό του πεδίο επιτρέπει στους φυσικούς να δοκιμάσουν γρήγορα έναν άνευ προηγουμένου αριθμό συνταγών και να δουν ποιες από αυτές οδηγούν στην υπεραγωγιμότητα.
“Η πραγματική υπόσχεση”, είπε ο Dean, είναι ότι κάθε μία από αυτές τις συσκευές είναι “ένα ρυθμιζόμενο εργαστήριο στο οποίο μπορούμε να φτιάξουμε βασικά οποιοδήποτε άλλο υλικό”.
Οι πειραματιστές συγκεντρώνουν έναν θησαυρό δεδομένων για να τον εξηγήσουν οι θεωρητικοί. Οι Mak και Shan ελπίζουν ότι αυτή η αφθονία θα επιτρέψει στους θεωρητικούς να προβλέψουν τρόπους για τη δημιουργία υπεραγωγιμότητας που τα πειράματα μπορούν να επιβεβαιώσουν. Αυτό θα καταδείκνυε μια πραγματική κατανόηση του φαινομένου, η οποία θα σηματοδοτούσε τόσο ένα ακαδημαϊκό επίτευγμα όσο και ένα σημαντικό βήμα προς το σχεδιασμό υλικών για επαναστατικές νέες τεχνολογίες.
Αλλά προς το παρόν, οι πειραματιστές εξακολουθούν να είναι αυτοί που δείχνουν το δρόμο. “Όλοι βιάζονται όσο πιο γρήγορα μπορούν”, δήλωσε ο Yankowitz. “Δεν μπορώ να πιστέψω ότι έχουμε περάσει έξι χρόνια και δεν μπορείς να κάνεις ένα διάλειμμα”.
