Tie korkean lämpötilan suprajohtavuuteen onkin tasaisempi kuin luultiin

Aalto-yliopiston tutkijat ennustavat teoreettisesti, että energiaa säästävien suprajohteiden käyttö tulee mahdolliseksi, kun hyödynnetään ”tasaisilla energiavöillä” olevien elektronien kvanttifysiikkaan liittyviä erikoisia ominaisuuksia.

Professori Päivi Törmä ja tohtoritutkija Sebastiano Peotta ovat osoittaneet, että elektronin massan hiukkasominaisuus ei yksin riitä selittämään suprajohtavuutta tasaisella energiavyöllä. Lisäksi tarvitaan kvanttimetriikkaa. Merkittävä tutkimustulos julkaistiin juuri Nature Communications tiedelehdessä.

Suprajohteet ovat poikkeuksellisia materiaaleja, jotka pystyvät kuljettamaan sähkövirtaa ja energiaa ilman häviöitä. Niistä voidaan rakentaa valtavia magneettikenttiä tuottavia magneetteja ilman, että materiaali sulaa. Suprajohteiden tärkeitä sovelluksia ovat esimerkiksi CERNin hiukkaskiihdyttimen osat, levitoivat junat ja magneettikuvauslaitteet, joita käytetään paljon lääketieteessä. Nykyiset suprajohteet täytyy jäähdyttää alle sadan asteen pakkaseen, jotta ne toimisivat. Tämän vuoksi suprajohteita käyttävät laitteet ovat hyvin kalliita. Korkeammassa lämpötilassa toimiva suprajohde olisi läpimurto sovellusten kannalta.

Suprajohtavuus tapahtuu sitä korkeammassa lämpötilassa, mitä suurempi elektronien efektiivinen massa on. Jos siis halutaan maksimoida suprajohteiden toimintalämpötila, pitäisi käyttää elektroneja, joiden efektiivinen massa on ääretön – eli fyysikoiden kielellä elektroneja ”tasaisella energiavyöllä”.

Kvanttimaailmassa äärettömän suuri massa ei välttämättä estä sähkövirtaa. Tämän mysteerin voi ymmärtää muistamalla, että hiukkaset ovat kvanttimekaniikassa yhtä aikaa sekä hiukkasia että aaltoja. Kvantti-ilmiöiden vuoksi kiteessä liikkuva elektroni, joka tuntee kiteen atomeiden sähkökentän, voi edetä ihan yhtä vapaasti kuin se olisi tyhjiössä. Ainoa ero on, että kide ikään kuin muuttaa elektronin massaa.

−Minusta on ollut äärimmäisen kiehtovaa miettiä, miten suprajohtavaa sähkövirtaa voisi esiintyä myös tasaisen energiavyön eli ”äärettömän raskaiden” elektronien tapauksessa. Meillä oli joitakin viitteitä siitä, että tämä voisi olla mahdollista. Mutta paradoksin selittävä teoria puuttuu, sanoo Aalto-yliopiston fysiikan professori Päivi Törmä.

Kvanttimetriikka kuvaa sitä, miten elektroniaallot ovat levittäytyneet kiteessä. Elektronin levittäytyminen laajalle alueelle liittyy sen aaltoluonteeseen. Myös elektronit, joilla on ääretön efektiivinen massa, voivat olla levittäytyneitä kiteessä, ja juuri kvanttimetriikka kuvaa tätä ilmiötä. Metrisen tensorin avulla voidaan mitata etäisyyksiä. Esimerkiksi kahden pisteen välinen etäisyys määräytyy eri tavalla pallon pinnalla kuin tasaisella pinnalla. Tutkijoiden merkittävä löytö oli, että mitä suurempi kvanttimekaaninen metrinen tensori on sitä suurempaa suprajohtavaa virtaa kide voi kuljettaa.

−Tuloksemme ovat hyvin lupaavia ja ne avaavat uusia mahdollisuuksia suunnitella suprajohteita, jotka toimivat normaalilämpötilassa äärimmäisen kylmän sijasta. Jos ennustuksemme todennetaan kokeilla, olemme löytäneet ilmiön, jota on vaikea ymmärtää arkiajattelulla – mutta juuri se tekee tieteestä kiinnostavaa. Uudet tuloksemme voivat myös sopia kuvaamaan joitakin jo tunnettuja suprajohteita.  Se olisi yksi tutkijanuran huippuhetkiä, lisää Peotta.

Tutkimuksen seuraava merkittävä askel olisi testata Peottan ja Törmän teoreettisia tuloksia ultrakylmissä kaasuissa, missä elektronisia systeemejä voidaan simuloida atomien avulla.

−Tänä kesänä olin vierailevana professorina ETH Zurichissä ja solmin kontakteja kylmiä atomeja tutkiviin fyysikoihin: olen saanut heidät kiinnostumaan ideamme testaamisesta, paljastaa Törmä.

Suomi on tällä tutkimusalueella eturintamassa. Grigory Volovik ja Nikolai Kopnin (Aalto-yliopisto) sekä Tero Heikkilä (Jyväskylän yliopisto) ovat ennustaneet, että tasaisiin energiavöihin perustuvaa suprajohtavuutta voi esiintyä tietynlaisen grafiitin pinnalla.

“Superfluidity in topologically nontrivial flat bands” –artikkeli julkaistiin juuri Nature Communications lehdessä.

Yhteystiedot

Professori Päivi Törmä
[email protected]
Puhelin: 0503826770

Dr. Sebastiano Peotta
[email protected]

Kvanttidynamiikan tutkimusryhmä: http://physics.aalto.fi/groups/comp/qd/
Laskennallisen nanotieteen huippuyksikkö, COMP: http://comp.aalto.fi/
Aalto-yliopiston Perustieteiden korkeakoulu