Οι φυσικοί δημιουργούν πρώτα στιγμιότυπα ζεύγους Fermion, ρίχνουν φως στο πώς τα ηλεκτρόνια σχηματίζουν υπεραγωγικά ζεύγη

Σε μια σημαντική ανακάλυψη που θα μπορούσε να εμβαθύνει την κατανόησή μας για την υπεραγωγιμότητα, μια ομάδα φυσικών κατάφερε να συλλάβει τα πρώτα στιγμιότυπα των ζευγών Fermion-τα βασικά δομικά στοιχεία των υπεραγωγών. Αυτό το επίτευγμα παρέχει κρίσιμες γνώσεις για το πώς αλληλεπιδρούν τα ηλεκτρόνια και σχηματίζουν τα ζεύγη Cooper που είναι υπεύθυνα για τις αξιοσημείωτες ιδιότητες των υπεραγωγών, όπως η ικανότητά τους να διεξάγουν ηλεκτρική ενέργεια με μηδενική αντίσταση.

Δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature, η έρευνα διεξήχθη από επιστήμονες από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια (CALTECH). Χρησιμοποιώντας ένα συνδυασμό τεχνολογιών αιχμής, συμπεριλαμβανομένου ενός υπερκειμένου τεχνικών ατομικού αερίου και υψηλής ανάλυσης, η ομάδα ήταν σε θέση να δημιουργήσει και να παρατηρήσει μικροσκοπικά σύννεφα των φερμιονικών ατόμων που αλληλεπιδρούν και σχηματίζουν ζεύγη.

Στην καρδιά της υπεραγωγιμότητας βρίσκεται το φαινόμενο του "ζευγαρώματος". Όταν ορισμένα υλικά ψύχονται κάτω από μια κρίσιμη θερμοκρασία, μερικά από τα ηλεκτρόνια τους αρχίζουν να συνδυάζονται για να σχηματίσουν ζεύγη cooper. Αυτά τα ζεύγη κινούνται σε τέλειο συγχρονισμό, χάνουν αποτελεσματικά την ατομική τους ταυτότητα και συμπεριφέρονται ως μια ενιαία συνεκτική οντότητα. Αυτή η κατάσταση "superfluid" επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να ρέουν χωρίς καμία αντίσταση, καθιστώντας ανεκτίμητους υπεραγωγούς σε διάφορες εφαρμογές, από τη μετάδοση ισχύος έως την ιατρική απεικόνιση.

"Το μυστήριο του τρόπου με τον οποίο η μορφή των ζευγών έχει αιχμαλωτίσει τους φυσικούς εδώ και δεκαετίες", εξηγεί ο καθηγητής Caltech, επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης. "Τα στιγμιότυπα που έχουμε αποκτήσει βοηθούν να απεικονίσουμε και να κατανοήσουμε τις δυναμικές διεργασίες που εμπλέκονται στη ζεύξη συνεργασίας και να θέσουμε τις βάσεις για να μελετήσουμε πιο πολύπλοκα συστήματα συμπυκνωμένης μεταφοράς, όπως αυτά που βρίσκονται σε υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας".

Στα πειράματά τους, οι φυσικοί Caltech χρησιμοποίησαν ένα αέριο ατόμων Ytterbium που ψύχθηκαν σε θερμοκρασίες Ultracold, κοντά στο Absolute Zero. Με τον έλεγχο των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των ατόμων με ακριβείς παλμούς λέιζερ, ήταν σε θέση να παράγουν σύννεφα ζεύγους Fermion που αποτελούνται από δύο άτομα το καθένα. Καθώς αυτά τα ζεύγη επεκτάθηκαν και διασκορπίστηκαν, οι ερευνητές κατέλαβαν εξαιρετικές εικόνες χρησιμοποιώντας ένα σύστημα απεικόνισης υψηλής ανάλυσης.

Οι αποκτηθέντες εικόνες αποκάλυψαν σαφώς τη χωρική κατανομή των ζευγών Fermion, συμπεριλαμβανομένης της ορμής και των ενεργειακών καταστάσεων. Αυτές οι λεπτομερείς παρατηρήσεις επέτρεψαν στους φυσικούς να κατανοήσουν την υποκείμενη φυσική της διαδικασίας ζευγαρώματος και τις επιπτώσεις της για την υπεραγωγιμότητα.

Καθώς επιτυγχάνεται η περαιτέρω κατανόηση του συνδυασμού Cooper και της υπεραγωγιμότητας, ανοίγει τη δυνατότητα ανάπτυξης νέων υλικών υπεραγωγών με βελτιωμένη απόδοση και απόδοση. Αυτό θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στις βιομηχανίες σε όλο το φάσμα, στην ενίσχυση των ηλεκτρικών δικτύων, στην ενίσχυση των συσκευών ιατρικής απεικόνισης και στην τροφοδοσία μελλοντικών σιδηροδρομικών συστημάτων υψηλής ταχύτητας. Η έρευνα που παρουσιάζεται στη φύση αντιπροσωπεύει μια σημαντική πρόοδο σε αυτή την αναζήτηση, εισάγοντας σε μια νέα εποχή εξερεύνησης στον κόσμο της υπεραγωγιμότητας.