Fizičari su identifikovali mehanizam za formiranje oscilirajuće superprovodljivosti poznat kao talasi gustine para. Phisical Reviev Letters je objavio otkriće, koje pruža novi uvid u nekonvencionalno, visokotemperaturno supravodljivo stanje koje se vidi u određenim materijalima, uključujući i visokotemperaturne superprovodnike.
„Otkrili smo da strukture poznate kao Van Hove singularnosti mogu proizvesti modulirajuća, oscilirajuća stanja supravodljivosti“, kaže Luiz Santos, docent fizike na Univerzitetu Emori i viši autor studije. „Naš rad pruža novi teorijski okvir za razumevanje pojave ovog ponašanja, fenomena koji nije dobro shvaćen.
Santos je teoretičar koji se specijalizovao za fiziku kondenzovane materije. On proučava interakcije kvantnih materijala — sitnih stvari kao što su atomi, fotoni i elektroni — koji se ne ponašaju u skladu sa zakonima klasične fizike.
Superprovodljivost, ili sposobnost određenih materijala da provode električnu energiju bez gubitka energije kada se ohlade na super-nisku temperaturu, jedan je primer intrigantnog kvantnog ponašanja. Fenomen je otkriven 1911. godine kada je holandski fizičar Heike Kamerlingh Onnes pokazao da živa gubi svoj električni otpor kada se ohladi na 4 Kelvina ili minus 371 stepen Farenhajta. To je otprilike temperatura Urana, najhladnije planete u Sunčevom sistemu.
Naučnicima je trebalo do 1957. da dođu do objašnjenja kako i zašto nastaje supravodljivost. Na normalnim temperaturama, elektroni lutaju manje-više nezavisno. Oni se sudaraju sa drugim česticama, uzrokujući da menjaju brzinu i pravac i rasipaju energiju. Na niskim temperaturama, međutim, elektroni se mogu organizovati u novo stanje materije.
Oni formiraju parove koji su povezani u kolektivno stanje koje se ponaša kao jedan entitet“, objašnjava Santos. „O njima možete razmišljati kao o vojnicima u vojsci. Ako se kreću u izolaciji, lakše ih je odvratiti. Ali kada marširaju zajedno u korak, mnogo je teže destabilizovati ih. Ova kolektivna država nosi struju na snažan način.“
Superprovodljivost ima ogroman potencijal. U teoriji, to bi moglo omogućiti da se električna struja kreće kroz žice bez njihovog zagrevanja ili gubitka energije. Ove žice bi tada mogle da prenose mnogo više struje, daleko efikasnije.
„Jedan od svetih grala fizike je superprovodljivost na sobnoj temperaturi koja je dovoljno praktična za svakodnevne primene“, kaže Santos. „Taj proboj bi mogao da promeni oblik civilizacije.
Mnogi fizičari i inženjeri rade na ovoj liniji fronta kako bi napravili revoluciju u načinu na koji se električna energija prenosi.
U međuvremenu, superprovodljivost je već našla primenu. Superprovodni kalemovi napajaju elektromagnete koji se koriste u mašinama za magnetnu rezonancu (MRI) za medicinsku dijagnostiku. U svetu sada radi nekoliko vozova sa magnetnom levitacijom, izgrađenih na superprovodnim magnetima koji su 10 puta jači od običnih elektromagneta. Magneti se odbijaju kada se odgovarajući polovi okrenu jedan prema drugom, stvarajući magnetno polje sposobno da levitira i pokreće voz.
Veliki hadronski sudarač, akcelerator čestica koji naučnici koriste za istraživanje fundamentalne strukture univerzuma, je još jedan primer tehnologije koja prolazi kroz superprovodljivost.
Superprovodljivost se i dalje otkriva u više materijala, uključujući mnoge koji su superprovodni na višim temperaturama.
Jedan fokus Santosovog istraživanja je kako interakcije između elektrona mogu dovesti do oblika superprovodljivosti koji se ne mogu objasniti opisom superprovodljivosti iz 1957. godine. Primer ovog takozvanog egzotičnog fenomena je oscilujuća superprovodljivost, kada upareni elektroni plešu u talasima, menjajući amplitudu.
U nepovezanom projektu, Santos je zamolio Kastra da istraži specifična svojstva Van Hove singulariteta, struktura u kojima mnoga elektronska stanja postaju bliska u energiji. Kastrov projekat je otkrio da se čini da singulariteti imaju pravu vrstu fizike za seme oscilirajuće superprovodljivosti.
To je podstaklo Santosa i njegove saradnike da zarone dublje. Otkrili su mehanizam koji bi omogućio da ova stanja supravodljivosti nastaju plesnim talasima iz Van Hoveovih singulariteta.
„Kao teoretski fizičari, želimo da budemo u stanju da predvidimo i klasifikujemo ponašanje da bismo razumeli kako priroda funkcioniše“, kaže Santos. „Onda možemo početi da postavljamo pitanja sa tehnološkom relevantnošću.“
Neki visokotemperaturni superprovodnici — koji funkcionišu na temperaturama oko tri puta hladnijim od zamrzivača u domaćinstvu — imaju ovakvo ponašanje talasa. Otkriće kako ovo ponašanje može proizaći iz Van Hove singulariteta pruža osnovu za eksperimentaliste da istraže područje mogućnosti koje ono predstavlja.
„Sumnjam da je Kamerlingh Onnes razmišljao o levitaciji ili akceleratorima čestica kada je otkrio supravodljivost“, kaže Santos. „Ali sve što naučimo o svetu ima potencijalnu primenu.“
