&μπάλα; Η φυσικη 16, 198
Πειράματα με έναν μη συμβατικό υπεραγωγό δείχνουν ότι μια αλλαγή στις ιδιότητες των ηλεκτρονίων του υλικού μπορεί, απροσδόκητα, να κάνει το υλικό σημαντικά λιγότερο άκαμπτο.
Aaozoar/stock.adobe.com
Τα ηλεκτρόνια που ρέουν μέσα από ένα κρυσταλλικό πλέγμα γενικά δεν παίρνουν το προβάδισμα: η συμπεριφορά τους γενικά καθορίζεται από τη δομή του πλέγματος. Αλλά ορισμένα υλικά παρουσιάζουν σύζευξη ηλεκτρονίου-πλέγματος που επιτρέπει στα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας να επηρεάζουν τη συμπεριφορά του πλέγματος. Αυτή η ηλεκτρονική έκδοση του “waging the dog” θα πρέπει να είναι αρκετά αδύναμη, γεγονός που προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι τα πειράματα με έναν αντισυμβατικό υπεραγωγό αποκαλύπτουν τώρα σημαντική μαλάκυνση του πλέγματος του υλικού, που οδηγείται από ηλεκτρόνια. [1]. Αυτή η ανακάλυψη θα μπορούσε να προσφέρει νέες γνώσεις για τους μηχανισμούς που κρύβονται πίσω από την αντισυμβατική υπεραγωγιμότητα.
Το πλέγμα ενός κρυσταλλικού υλικού είναι μια περιοδική δομή ατόμων που συγκρατούνται μεταξύ τους με ηλεκτροστατικούς δεσμούς. Αυτό το πλαίσιο υπαγορεύει τις ιδιότητες των ηλεκτρονίων που κινούνται μέσα στο υλικό. Για παράδειγμα, εάν το πλέγμα τροποποιηθεί με την εφαρμογή μηχανικής καταπόνησης ή με την προσθήκη προσμίξεων ατόμων, η ηλεκτρονική ορμή θα αλλάξει ανάλογα, γεγονός που μπορεί να επηρεάσει τη δομή της ηλεκτρονικής ζώνης του υλικού.
Αυτή η δευτερεύουσα κατάσταση των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας είναι λογική δεδομένου του σχετικά μικρού τους αριθμού, λέει ο Hilary Noad του Ινστιτούτου Max Planck για τη Χημική Φυσική των Στερεών στη Γερμανία. Σημειώνει ότι τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας υπερτερούν αριθμητικά των ηλεκτρονίων σθένους, αυτά που παραμένουν συνδεδεμένα με τα άτομα και δημιουργούν τους δεσμούς που συγκρατούν το πλέγμα μαζί. Τα ηλεκτρόνια σθένους είναι αυτά που πιστεύεται ότι ελέγχουν την ελαστικότητα ή την απαλότητα ενός υλικού, εξηγεί η Anna Böhmer, πειραματίστρια στερεάς κατάστασης στο Πανεπιστήμιο Ruhr στο Μπόχουμ της Γερμανίας, η οποία δεν συμμετείχε στη μελέτη. «Διαισθητικά, τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας θα πρέπει να έχουν μόνο μια μικρή επίδραση στις ιδιότητες του πλέγματος», προσθέτει.
Παρά αυτή τη γενική διαίσθηση, οι φυσικοί έχουν εντοπίσει σενάρια στα οποία τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας μπορεί να έχουν το πάνω χέρι. Ένας από τους πρώτους που πρότεινε αυτή την πιθανότητα ήταν ο Σοβιετικός φυσικός Ilya Lifshitz. [2]. Το 1960, υπολόγισε ότι τα ηλεκτρόνια θα μπορούσαν να προκαλέσουν 0,01% μαλάκυνση της δομής του αγώγιμου πλέγματος εάν άλλαζε ξαφνικά το τοπίο της ενέργειας των ηλεκτρονίων. Μια τέτοια ηλεκτρονική μετάβαση (που τώρα ονομάζεται μετάβαση Lifshitz) συμβαίνει όταν το όριο μεταξύ κατειλημμένων και μη κατειλημμένων ηλεκτρονικών καταστάσεων παίρνει διαφορετικό σχήμα. «Ο Lifshitz συμπεριέλαβε την πρόβλεψη σε μια υποσημείωση επειδή περίμενε ότι το αποτέλεσμα θα ήταν πολύ μικρό», λέει ο Noad. Τώρα αυτή και οι συνάδελφοί της έχουν ανακαλύψει μια υπόθεση που ανατρέπει αυτή την προσδοκία.
Η ομάδα πραγματοποίησε πειράματα στον αντισυμβατικό υπεραγωγό ρουθενικό στρόντιο (Sr2RuO4). Το υλικό έχει μια δισδιάστατη ηλεκτρονική δομή στην οποία τα ηλεκτρόνια ρέουν κυρίως κατά μήκος επίπεδων επιπέδων μέσα σε μια κρυσταλλική δομή. Η ομάδα τοποθέτησε έναν Sr2RuO4 κρύσταλλο σε μια προσαρμοσμένη συσκευή που το συμπίεσε κατά μήκος ενός μόνο άξονα, προκαλώντας μια παρατηρήσιμη βράχυνση (παραμόρφωση) του υλικού. Η συσκευή χρησιμοποιήθηκε ταυτόχρονα για τη μέτρηση της τάσης στο υλικό, της αντοχής του στη θλίψη. Και από αυτές τις μετρήσεις, η ομάδα εξήγαγε το μέτρο ελαστικότητας, το οποίο ποσοτικοποιεί την ακαμψία του υλικού.
Οι ερευνητές παρατήρησαν ότι η ακαμψία αρχικά αυξανόταν με την αύξηση της τάσης, πριν βουτήξει για λίγο και στη συνέχεια ανέβαινε ξανά. Η απότομη πτώση της ακαμψίας συνέβη σε μια γνωστή μετάβαση του Lifshitz στον Sr.2RuO4, υποδηλώνοντας ότι τα ηλεκτρόνια ήταν υπεύθυνα για την αποσκλήρυνση. Για να αποδείξουν αυτήν την ηλεκτρονική κυριαρχία, οι ερευνητές διερεύνησαν την εξάρτηση από τη θερμοκρασία της αποσκλήρυνσης, η οποία έδειξε ότι η μαλάκυνση συνδέθηκε με μια μεγάλη αύξηση της εντροπίας στον Sr.2RuO4. Αυτό το άλμα εντροπίας θα μπορούσε να προέλθει από διεγέρσεις πλέγματος, αλλά προηγούμενη εργασία έδειξε ότι μια πηγή πλέγματος ήταν απίθανη στις χαμηλές θερμοκρασίες (περίπου 4 Κ) των πειραμάτων. Αντίθετα, το μοντέλο της ομάδας δείχνει ότι το άλμα της εντροπίας συνδέεται με μια ξαφνική άνοδο στην πυκνότητα των ηλεκτρονικών καταστάσεων στη μετάβαση του Lifshitz. «Η βασική εικόνα που έχω είναι ότι τα ηλεκτρόνια μπορούν ξαφνικά να κάνουν πολλά περισσότερα και ότι η ελευθερία κάνει το πλέγμα πιο μαλακό», λέει ο Noad.
Η ομάδα υπολόγισε ότι η αποσκλήρυνση του δικτύου ήταν περίπου 10%, ή περίπου 1.000 φορές μεγαλύτερη από ό,τι είχε προβλέψει ο Lifshitz. «Η μαλάκυνση του πλέγματος κατά τη μετάβαση του Lifshitz είναι αξιοσημείωτα μεγάλη», λέει ο θεωρητικός της συμπυκνωμένης ύλης Rafael Fernandes από το Πανεπιστήμιο της Μινεσότα. Το συγκρίνει με μια άλλη μαλάκυνση που σχετίζεται με ηλεκτρονικά νηματικά, ένα φαινόμενο στο οποίο οι ηλεκτρονικές αλληλεπιδράσεις προκαλούν μια αλλαγή στην περιστροφική συμμετρία ενός υλικού, όπως συμβαίνει, για παράδειγμα, σε υπεραγωγούς με βάση το σίδηρο. Η αρχική προσδοκία του Fernandes ήταν ότι το softening που σχετίζεται με τον Lifshitz θα ήταν πολύ πιο αδύναμο από το ηλεκτρονικό-νηματικό softening, αλλά είναι περίπου ίσες.
Ο Fernandes λέει ότι ο Noad και οι συνάδελφοί του δίνουν ισχυρά επιχειρήματα για το γιατί το softening είναι τόσο σημαντικό – ότι ο Sr2RuO4 έχει μοναδικές ιδιότητες (δισδιάστατο χαρακτήρα και μετάβαση μεταξύ ρε τροχιακά) που οδηγούν σε μεγαλύτερη ευαισθησία του δικτύου από αυτή που παρατηρείται για τους άλλους αγωγούς. «Νομίζω ότι αυτό το έργο δείχνει πειστικά μια άλλη περίπτωση στην οποία το δίκτυο και το ηλεκτρονικό σύστημα δεν είναι απλοί θεατές το ένα του άλλου, αλλά συνυφασμένοι βαθμοί ελευθερίας», λέει ο Fernandes.
Με την εξήγηση της αποσκλήρυνσης του πλέγματος, ο Noad λέει ότι η πρώτη στη λίστα υποχρεώσεων του τώρα είναι να μελετήσει πιθανούς δεσμούς μεταξύ αυτής της πρόσφατα παρατηρηθείσας συμπεριφοράς και των υπεραγώγιμων ιδιοτήτων του Sr.2RuO4. Λέει ότι, περιέργως, η αποσκλήρυνση του πλέγματος συμβαίνει σε μια πίεση όπου η υπεραγώγιμη θερμοκρασία μετάπτωσης του Sr2RuO4 κορυφές. Αυτό θα μπορούσε να υποδηλώνει ότι η αντισυμβατική υπεραγωγιμότητα του Sr2RuO4 προέρχεται από κάποια σύζευξη μεταξύ των συστημάτων ηλεκτρονίων και πλέγματος, λέει ο Noad. Ο Böhmer συμφωνεί ότι ο Sr2RuO4 είναι ένα αξιόλογο υλικό που μπορεί να επιφυλάσσει ακόμα περισσότερες εκπλήξεις. «Η σχέση μεταξύ των ιδιοτήτων ηλεκτρονίων και πλέγματος είναι ένα πραγματικά συναρπαστικό θέμα στην πρώτη γραμμή της τρέχουσας έρευνας για τα κβαντικά υλικά», λέει.
– Michael Schirber
Ο Michael Schirber είναι αντίστοιχος συντάκτης για Ανασκόπηση φυσικής με έδρα τη Λυών της Γαλλίας.
Οι παραπομπές
- HML Noad et al.«Απαλύνοντας ένα γιγάντιο δίκτυο κατά τη μετάβαση από το Lifshitz στον Sr2RuO4“, Επιστήμη 382447 (2023).
- IM Lifshitz, «Ανωμαλίες στα ηλεκτρονικά χαρακτηριστικά ενός μετάλλου στην περιοχή υψηλής πίεσης», Sov. Phys. JETP 111130 (1960).