Superprovodnici su decenijama intrigirali fizičare. Ali ovi materijali, koji omogućavaju savršen protok elektrona bez gubitaka, obično ispoljavaju ovu kvantno-mehaničku posebnost samo na tako niskim temperaturama – nekoliko stepeni iznad apsolutne nule – da ih čine nepraktičnim.
Istraživački tim na čelu sa profesorom fizike i primenjene fizike sa Harvarda Filipom Kimom demonstrirao je novu strategiju za pravljenje i manipulaciju široko proučavanom klasom superprovodnika na višim temperaturama zvanim kuprati, otvarajući put ka projektovanju novih, neobičnih oblika supravodljivosti u ranije nedostižnim materijalima. .
Koristeći jedinstvenu metodu proizvodnje uređaja na niskim temperaturama, Kim i njegov tim izvještavaju u časopisu Nauka o obećavajućem kandidatu za prvu visokotemperaturnu, superprovodnu diodu na svijetu – u suštini, prekidač koji pokreće struju u jednom smjeru – napravljenu od tankog kuprata kristali.
Takav uređaj bi teoretski mogao da podstakne nove industrije poput kvantnog računarstva, koje se oslanjaju na prolazne mehaničke pojave koje je teško održati.
„Visokotemperaturne superprovodne diode su, u stvari, moguće, bez primene magnetnih polja, i otvaraju nova vrata za istraživanje egzotičnih materijala“, rekao je Kim.
Kuprati su oksidi bakra koji su pre nekoliko decenija preokrenuli svet fizike pokazujući da postaju supravodljivi na mnogo višim temperaturama nego što su teoretičari mislili da je moguće, a „viši“ je relativan pojam (trenutni rekord za kuprat superprovodnik je -225 Farenhajta). Međutim, rukovanje ovim materijalima bez uništavanja njihovih superprovodnih faza je veoma složeno zbog njihovih složenih elektronskih i strukturnih karakteristika.
Eksperimente tima vodio je S. I. Frank Zhao, bivši student na Griffin Graduate School of Arts and Sciences, a sada postdoktorski istraživač na MIT-u. Koristeći metodu bezvazdušne, kriogene manipulacije kristalima u ultra čistom argonu, Zhao je konstruisao čist interfejs između dva izuzetno tanka sloja kuprat bizmut stroncijum kalcijum bakar oksida, nazvanog BSCCO („bisco“).
BSCCO se smatra „visokotemperaturnim“ superprovodnikom jer počinje da bude superprovodnik na oko -288 Farenhajta – veoma hladan po praktičnim standardima, ali zapanjujuće visok među supraprovodnicima, koji se obično moraju ohladiti na oko -400 Farenhajta.
Džao je prvo podelio BSCCO na dva sloja, od kojih je svaki bio hiljaditi deo širine ljudske kose. Zatim, na -130, složio je dva sloja pod uglom od 45 stepeni, poput sendviča sa sladoledom sa iskošenim oblandama, zadržavajući superprovodljivost na krhkom interfejsu.
Tim je otkrio da je maksimalna superstruja koja može da prođe bez otpora kroz interfejs različita u zavisnosti od smera struje. Ono što je najvažnije, tim je takođe pokazao elektronsku kontrolu nad kvantnim stanjem međufaza tako što je obrnuo ovaj polaritet.
Ova kontrola je bila ono što im je efektivno omogućilo da naprave promenljivu, visokotemperaturnu superprovodnu diodu – demonstraciju osnovne fizike koja bi jednog dana mogla da se ugradi u deo računarske tehnologije, kao što je kvantni bit.
„Ovo je početna tačka u istraživanju topoloških faza, sa kvantnim stanjima zaštićenim od nesavršenosti“, rekao je Zhao.
Tim sa Harvarda je radio sa kolegama Marselom Francom sa Univerziteta Britanske Kolumbije i Džedom Pikslijem sa Univerziteta Rutgers, čiji su timovi prethodno izvršili teorijske proračune koji su tačno predvideli ponašanje kupratnog superprovodnika u širokom opsegu uglova zaokreta. Usklađivanje eksperimentalnih zapažanja takođe je zahtevalo razvoj novih teorija koje je izveo Pavel A. Volkov sa Univerziteta Konektikat.
