Μια αινιγματική μορφή υπεραγωγιμότητας που εμφανίζεται μόνο υπό ισχυρά μαγνητικά πεδία χαρτογραφήθηκε και εξηγήθηκε από ερευνητική ομάδα στην οποία συμμετέχει ο Αντρίι Νεβιντόμσκι, καθηγητής φυσικής και αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο Rice. Τα ευρήματά τους, που δημοσιεύθηκαν στο Science, περιγράφουν πώς το διτελλουρίδιο του ουρανίου (UTe2) αναπτύσσει μια υπεραγώγιμη «λάμψη» υπό ισχυρά μαγνητικά πεδία.
Παραδοσιακά, οι επιστήμονες θεωρούσαν τα μαγνητικά πεδία επιζήμια για τους υπεραγωγούς. Ακόμη και μέτρια μαγνητικά πεδία συνήθως αποδυναμώνουν την υπεραγωγιμότητα, ενώ ισχυρότερα μπορούν να την καταστρέψουν πέρα από ένα γνωστό κρίσιμο όριο. Ωστόσο, το UTe2 αμφισβήτησε αυτές τις προσδοκίες όταν, το 2019, ανακαλύφθηκε ότι διατηρεί υπεραγωγιμότητα σε κρίσιμα πεδία εκατοντάδες φορές ισχυρότερα από εκείνα που απαντώνται σε συμβατικά υλικά.
«Όταν είδα για πρώτη φορά τα πειραματικά δεδομένα, έμεινα άναυδος», δήλωσε ο Νεβιντόμσκι, μέλος του Rice Advanced Materials Institute και του Rice Center for Quantum Materials.
«Η υπεραγωγιμότητα αρχικά καταπιεζόταν από το μαγνητικό πεδίο, όπως αναμενόταν, αλλά στη συνέχεια επανεμφανιζόταν σε υψηλότερα πεδία και μόνο για αυτό που φαινόταν να είναι μια στενή κατεύθυνση του πεδίου. Δεν υπήρχε άμεση εξήγηση για αυτή την αινιγματική συμπεριφορά».
Η ανάσταση της υπεραγωγιμότητας σε υψηλά πεδία
Αυτό το φαινόμενο, που αρχικά εντοπίστηκε από ερευνητές του Πανεπιστημίου του Maryland (UMD) και του National Institute of Standards and Technology (NIST), έχει γοητεύσει φυσικούς σε όλο τον κόσμο.
Στο UTe2, η υπεραγωγιμότητα εξαφανιζόταν κάτω από τα 10 Tesla, μια ένταση πεδίου ήδη τεράστια με συμβατικά κριτήρια, αλλά εκπληκτικά επανεμφανιζόταν σε εντάσεις πεδίου που ξεπερνούσαν τα 40 Tesla.
Αυτή η απροσδόκητη αναβίωση ονομάστηκε φάση Λάζαρος. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι αυτή η φάση εξαρτάται κρίσιμα από τη γωνία εφαρμογής του μαγνητικού πεδίου σε σχέση με τη δομή του κρυστάλλου.
Σε συνεργασία με πειραματικούς συναδέλφους στο UMD και το NIST, ο Νεβιντόμσκι αποφάσισε να χαρτογραφήσει τη γωνιακή εξάρτηση αυτής της υπεραγώγιμης κατάστασης υψηλού πεδίου. Οι ακριβείς μετρήσεις τους αποκάλυψαν ότι η φάση σχημάτιζε μια τοροειδή, ή δακτυλιοειδή, λάμψη γύρω από έναν συγκεκριμένο κρυσταλλικό άξονα.
«Οι μετρήσεις μας αποκάλυψαν μια τρισδιάστατη υπεραγώγιμη λάμψη που τυλίγεται γύρω από τον σκληρό b-άξονα του κρυστάλλου», δήλωσε η Σίλβια Λιούιν του NIST, συγγραφέας της μελέτης. «Αυτό ήταν ένα εκπληκτικό και όμορφο αποτέλεσμα».
Χτίζοντας θεωρία για να εξηγήσει τη λάμψη
Για να εξηγήσει αυτά τα ευρήματα, ο Νεβιντόμσκι ανέπτυξε ένα θεωρητικό μοντέλο που ερμήνευε τα δεδομένα χωρίς να βασίζεται σε αμφιλεγόμενους μικροσκοπικούς μηχανισμούς. Η προσέγγισή του χρησιμοποίησε ένα αποτελεσματικό φαινομενολογικό πλαίσιο με ελάχιστες υποθέσεις σχετικά με τις δυνάμεις σύζευξης που δεσμεύουν τα ηλεκτρόνια σε ζεύγη Cooper.
Το μοντέλο αναπαρήγαγε επιτυχώς την μη μονοτονική γωνιακή εξάρτηση που παρατηρήθηκε στα πειράματα, προσφέροντας γνώσεις για το πώς ο προσανατολισμός του μαγνητικού πεδίου επηρεάζει την υπεραγωγιμότητα στο UTe2.
Βαθύτερη κατανόηση της αλληλεπίδρασης
Η ερευνητική ομάδα διαπίστωσε ότι η θεωρία, προσαρμοσμένη με λίγες βασικές παραμέτρους, ταίριαζε εντυπωσιακά καλά με τα πειραματικά χαρακτηριστικά, ιδιαίτερα με το γωνιακό προφίλ της λάμψης.
Ένα βασικό συμπέρασμα από το μοντέλο είναι ότι τα ζεύγη Cooper φέρουν εγγενή στροφορμή, όπως μια σβούρα στην κλασική φυσική. Το μαγνητικό πεδίο αλληλεπιδρά με αυτή τη στροφορμή, δημιουργώντας μια κατευθυντική εξάρτηση που ταιριάζει με το παρατηρούμενο μοτίβο της λάμψης.
Αυτή η εργασία θέτει τα θεμέλια για μια βαθύτερη κατανόηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ μαγνητισμού και υπεραγωγιμότητας σε υλικά με ισχυρή κρυσταλλική ανισοτροπία όπως το UTe2.
«Μία από τις πειραματικές παρατηρήσεις είναι η απότομη αύξηση του μαγνητισμού του δείγματος, αυτό που αποκαλούμε μετάβαση μεταμαγνητισμού», δήλωσε ο Πίτερ Τσάιτσκα του NIST, συγγραφέας της μελέτης.
«Η υπεραγώγιμη κατάσταση υψηλού πεδίου εμφανίζεται μόνο όταν το μέγεθος του πεδίου έχει φτάσει σε αυτή την τιμή, η οποία εξαρτάται έντονα από τη γωνία».
Η ακριβής προέλευση αυτής της μετάβασης μεταμαγνητισμού και η επίδρασή της στην υπεραγωγιμότητα αποτελεί αντικείμενο έντονων επιστημονικών συζητήσεων και ο Νεβιντόμσκι δήλωσε ότι ελπίζει η θεωρία αυτή να βοηθήσει στην αποσαφήνισή της.
«Αν και η φύση της δύναμης σύζευξης σε αυτό το υλικό παραμένει να κατανοηθεί, το γεγονός ότι τα ζεύγη Cooper φέρουν μαγνητική ροπή είναι ένα βασικό συμπέρασμα αυτής της μελέτης και θα πρέπει να καθοδηγήσει μελλοντικές έρευνες», είπε.
Περισσότερες πληροφορίες:
Sylvia K. Lewin et al, High-field superconducting halo in UTe2, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adn7673
Πηγή: Rice University
