Med snurrfluktuationerna i centrum blir den teoretiska beskrivningen mest meningsfull. Kredit:Wiens tekniska universitet
Beroende på vilket perspektiv man väljer kan en teoretisk beräkning beskriva observerad fysik mer eller mindre exakt. Redan 2015 utvecklade Alessandro Toschi från Institute of Solid State Physics vid TU Wien och hans team, inom ett internationellt samarbete, en teoretisk metod som kan användas för att bestämma det bästa sättet att se på olösta frågor inom fasta tillståndets fysik.
Sedan dess har forskargruppen vidareutvecklat denna diagnostiska metod och nyligen tillämpat den på okonventionella supraledare, tillsammans med forskare från University of Michigan i Ann Arbor och Max Planck Institute for Solid State Research i Stuttgart. Forskarna publicerade nyligen sina resultat i den vetenskapliga tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ).
Tanken bakom denna metod kan bäst illustreras med en analogi:Inom klassisk mekanik finns det flera sätt att beskriva himlakropparnas rörelse. Om vi betraktar jorden som solsystemets centrum, till exempel, blir beskrivningen snabbt förvirrande och komplicerad. Men om vi placerar solen i mitten av modellen blir den teoretiska beskrivningen mycket mer elegant och meningsfull.
Situationen är liknande med de olika konkurrerande mekanismerna som driver fysiken hos okonventionella supraledare. Deras elektriska motstånd – precis som med konventionella supraledare – sjunker abrupt till noll under en viss temperaturnivå, vilket gör det möjligt att leda och lagra elektricitet utan förlust. För att förverkliga detta speciella tillstånd måste det fasta ämnets elektroner binda i par, trots ömsesidig repulsion. Detta rent kvantfysiska fenomen kan utlösas av olika mekanismer. Medan i konventionella supraledare spelar interaktionen mellan elektronerna och atomvibrationerna en central roll, är denna effekt vanligtvis försumbar i okonventionella supraledare. Här är den repulsiva interaktionen mellan elektronerna av större betydelse.
Teori och praktik
Under lång tid var det dock omtvistat med vilken mikroskopisk mekanism denna repulsion mellan elektronerna övervinns och på så sätt kan par bildas - det så kallade "parningslimmet", som Alessandro Toschi förklarar. I synnerhet är frågan vilken typ av fluktuation (t.ex. spinn eller laddning) som håller ihop elektronparen i okonventionella supraledare. "Kollegor från University of Michigan ville därför analysera sina resultat för en beräkning avsedd för cuprate-klassen av material med hjälp av vår diagnostiska metod", rapporterar Toschi. Dessa okonventionella supraledare, vars kristallstruktur innehåller kopparanjoner, upptäcktes så tidigt som 1986 och har förbryllat fysiken sedan dess.
Den centrala frågan som forskarna ville svara på är i vilken formulering fysiken för okonventionell supraledning är mest transparent. Detta motsvarar att identifiera vilka fluktuationer som är ansvariga för elektronparbindningen. "Vi kunde äntligen visa att de (antiferromagnetiska) spinnfluktuationerna är de som ligger bakom fysiken hos okonventionella supraledare. Om du ändrar perspektivet och fokuserar på laddningsfluktuationerna får du å andra sidan en suddig och i grunden värdelös representation av den underliggande fysiken", säger Alessandro Toschi. För att hålla sig till solsystemsanalogin så motsvarar snurrfluktuationerna det referenssystemet där solen är placerad i centrum.
Även om endast kuprater undersöktes i föreliggande studie, kan dessa resultat med största sannolikhet också överföras till materialklassen nickelater, som liksom kuprater tillhör klassen av okonventionella supraledare.
Mysteriet är löst
Med detta resultat bidrar forskargruppen inte bara till en bättre förståelse av mekanismen hos okonventionella supraledare. Insikten om att spinnfluktuationer är den avgörande faktorn gör det också möjligt att förenkla framtida teoretiska beräkningar och därmed möjliggöra mer exakta förutsägelser. "Tidigare var vår metod bara ett teoretiskt verktyg. Genom att göra den praktiska kopplingen har metoden framstått som en av de viktigaste tillämpningarna för ett problem som vetenskapssamfundet har försökt lösa i nästan 40 år", sammanfattar Alessandro Toschi . "Vårt diagnosverktyg ger entydiga svar på tidigare öppna frågor."
Men samhället kan också dra nytta av de grundläggande rönen – ur ett perspektiv. Om supraledare kan användas vid högre temperaturer och normalt tryck i framtiden skulle de kunna bidra till att lösa problemet med energilagring, som är en begränsande faktor för användningen av förnybar energi. + Utforska vidare
