Οι υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας με βάση το σίδηρο δείχνουν απροσδόκητη ηλεκτρονική ασυμμετρία

Μια ομάδα με επικεφαλής τους ερευνητές από το Ινστιτούτο Max Planck για την έρευνα στερεάς κατάστασης στη Γερμανία έχει παρατηρήσει μια ασυνήθιστη ασυμμετρία στη διάταξη των ηλεκτρονίων σε νεοανακύαστα υλικά με βάση το σιδήρου που υπεραγωγούν σε υψηλές θερμοκρασίες. Τα ευρήματα προκαλούν τις τρέχουσες θεωρίες και θα μπορούσαν να βοηθήσουν στο σχεδιασμό πιο αποτελεσματικών υπεραγωγών.

Οι υπεραγωγοί είναι υλικά που διεξάγουν ηλεκτρική ενέργεια χωρίς αντίσταση, καθιστώντας τους υποσχόμενους για διάφορες εφαρμογές όπως τρένα υψηλής ταχύτητας, ενεργειακά αποδοτικές γραμμές ηλεκτρικής ενέργειας και ιατρική απεικόνιση. Οι υπεραγωγοί με βάση το σίδηρο, που ανακαλύφθηκαν το 2008, είναι μια κατηγορία υλικών που έχουν τη δυνατότητα να λειτουργούν σε υψηλότερες θερμοκρασίες από τους συμβατικούς υπεραγωγούς, μειώνοντας έτσι τις απώλειες ενέργειας.

Στη μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό "Physics Nature", οι ερευνητές διερεύνησαν την ηλεκτρονική δομή των υπεραγωγών με βάση το σιδήρου χρησιμοποιώντας μια τεχνική που ονομάζεται φασματοσκοπία φωτοεκπομπής με γωνιά (ARPES). Αυτή η τεχνική τους επέτρεψε να μετρήσουν την ενέργεια και την ορμή των ηλεκτρονίων μέσα στο υλικό, παρέχοντας πληροφορίες για τις ηλεκτρονικές ιδιότητες του υλικού και τους μηχανισμούς που δημιουργούν υπεραγωγιμότητα.

Παραδόξως, η ομάδα παρατήρησε μια διακριτική ασυμμετρία στην ηλεκτρονική δομή, ιδιαίτερα στη διάταξη των ηλεκτρονίων γύρω από τα άτομα σιδήρου. Αυτή η ασυμμετρία αμφισβήτησε τα υπάρχοντα θεωρητικά μοντέλα, τα οποία είχαν προβλέψει μια πιο συμμετρική ρύθμιση.

"Η παρατηρούμενη ηλεκτρονική ασυμμετρία ήταν σαν ένα δακτυλικό αποτύπωμα που δεν μπορούσε να εξηγηθεί από καμία από τις τρέχουσες θεωρίες", δήλωσε ο επικεφαλής συγγραφέας Dr. Alexander Fedorov από το Ινστιτούτο Max Planck για την έρευνα στερεάς κράτους.

Για να αποκτήσουν μια βαθύτερη κατανόηση, οι ερευνητές πραγματοποίησαν πρόσθετα πειράματα και θεωρητικούς υπολογισμούς. Διαπίστωσαν ότι η ασυμμετρία προκύπτει από αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων και των δονήσεων πλέγματος μέσα στο υλικό. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις τροποποιούν την ηλεκτρονική δομή, οδηγώντας στην παρατηρούμενη ασυμμετρία.

Η ανακάλυψη αυτής της ηλεκτρονικής ασυμμετρίας θα μπορούσε να έχει σημαντικές επιπτώσεις στην ανάπτυξη νέων υπεραγωγών. Με την κατανόηση και τον έλεγχο αυτών των ηλεκτρονικών αλληλεπιδράσεων, οι επιστήμονες ενδέχεται να είναι σε θέση να σχεδιάσουν υλικά με ακόμη υψηλότερες υπεραγωγικές θερμοκρασίες μετάβασης και βελτιωμένες επιδόσεις.

"Τα ευρήματά μας παρέχουν μια νέα προοπτική για τις ηλεκτρονικές ιδιότητες και τους μηχανισμούς της υπεραγωγιμότητας σε υλικά με βάση το σιδήρου", δήλωσε ο συν-συγγραφέας Dr. Philipp Gegenwart, διευθυντής στο Ινστιτούτο Max Planck For Solid State Research. "Προβάλλουν το δρόμο για την ανάπτυξη πιο αποτελεσματικών υπεραγωγικών υλικών για διάφορες εφαρμογές".

Απαιτούνται περαιτέρω έρευνες για να διερευνηθούν οι συνέπειες αυτής της ηλεκτρονικής ασυμμετρίας και να εντοπιστούν άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν την υπεραγωγιμότητα σε υλικά με βάση το σιδήρου. Αυτό θα μπορούσε τελικά να οδηγήσει στην υλοποίηση των εξαιρετικά αποδοτικών υπεραγωγών που λειτουργούν σε θερμοκρασίες κοντά στο δωμάτιο, στις τεχνολογίες επανάστασης στην ενέργεια, τις μεταφορές και τα ιατρικά πεδία.