Un grup de fizicieni de la Universitatea Illinois Urbana-Champaign a făcut o descoperire remarcabilă, identificând o formă neobișnuită de comportament supraconductor în ditelura de uraniu. Experimentele lor au demonstrat că perechile de electroni Cooper, fundamentale pentru supraconductibilitate, pot forma modele neregulate, cunoscute sub denumirea de unde de densitate a perechilor (PDW - Pair Density Waves), chiar și după ce starea supraconductoare principală a dispărut.
Aceste modele au fost prezise teoretic acum aproximativ 20 de ani, iar studii anterioare au observat PDW-uri în conjuncție cu supraconductibilitatea în alte metale. Totuși, noua cercetare, publicată în Proceedings of the National Academy of Sciences, merge mai departe, oferind prima dovadă directă că PDW-urile în ditelura de uraniu pot persista în faza "ordinară" a materialului, chiar și după ce supraconductibilitatea încetează. "Undele de densitate a perechilor sunt ca zâmbetul lui Cheshire al supraconductibilității," a declarat Eduardo Fradkin, profesor de fizică la Illinois Grainger Engineering și co-lider al proiectului. "Sunt vestigiile care rămân odată ce faza în sine a dispărut. În supraconductorii convenționali, perechile Cooper se formează atunci când are loc tranziția de fază completă, dar, în acest sistem, observarea lor în PDW-uri deasupra punctului de tranziție arată că ele se formează înainte, într-o stare diferită."
"Datorită noilor metode de creștere a probelor de o calitate superioară, am reușit să observăm semnături spectrale care răspund la temperatură și câmpuri magnetice exact așa cum ar trebui să o facă undele de densitate a perechilor," a adăugat Vidya Madhavan, profesor de fizică la Illinois Grainger Engineering și celălalt co-lider al proiectului. "Am demonstrat chiar că aceste moduri persistă deasupra temperaturii la care dispare supraconductibilitatea, o predicție teoretică elocventă care nu a fost observată convingător până acum."
**Cum se comportă supraconductorii neconvenționali**
Supraconductibilitatea apare atunci când un metal poate transporta electricitate fără rezistență, după ce a fost răcit sub o anumită temperatură critică. În această stare, electronii liberi ai materialului se așază într-o stare cuantică de energie joasă. Aceasta ridică o provocare fundamentală: electronii aparțin unui grup de particule numite fermioni, iar mecanica cuantică împiedică fermionii să se adune în aceeași stare. Supraconductibilitatea ocolește această restricție printr-un proces mai complex, care implică perechi de electroni. În 1957, fizicienii John Bardeen, Leon Cooper și Robert Schrieffer au explicat acest comportament prin ceea ce a devenit cunoscut sub numele de teoria BCS. Conform modelului lor, electronii devin mai întâi corelați prin interacțiuni cu rețeaua subiacentă a metalului. Un electron apoi face pereche cu altul pentru a crea o pereche Cooper. Spre deosebire de electronii individuali, perechile Cooper se comportă ca bosoni. Aceasta înseamnă că mulți dintre ei pot ocupa aceeași stare cuantică fără repulsia care se aplică electronilor individuali. Odată formați, ei se pot condensa împreună într-o stare supraconductoare. Teoria BCS a explicat cu succes comportamentul supraconductor cunoscut până la descoperirea supraconductorilor "neconvenționali" în 1986. Aceste materiale nu se încadrează în ipotezele teoriei BCS, chiar dacă electronii lor formează în continuare perechi Cooper și se condensează. Înțelegerea exactă a modului în care funcționează supraconductorii neconvenționali rămâne un domeniu activ de cercetare în fizică.
**Misterul undelor de densitate a perechilor**
Supraconductorii neconvenționali găzduiesc adesea alte faze electronice la temperaturi sub temperatura critică supraconductoare. Un exemplu este undele de densitate a sarcinii (CDW - Charge Density Waves), în care unii electroni formează un model repetitiv, neuniform. Rezultatul este o variație periodică a sarcinii, cu unele regiuni având mai multă sarcină electrică și altele mai puțin. În 2007, Fradkin și colegii săi au propus o altă fază posibilă, cunoscută sub denumirea de undă de densitate a perechilor. Perechile Cooper sunt distribuite uniform într-un supraconductor, dar cercetătorii au sugerat că perechile s-ar putea, de asemenea, aranja în modele repetitive. Teoria lor a făcut o predicție deosebit de neobișnuită: undele de densitate a perechilor ar putea supraviețui deasupra temperaturii critice, ceea ce ar însemna că perechile Cooper s-ar putea forma chiar și atunci când un material nu a intrat în faza sa supraconductoare. "Am fost pe muchie de cuțit când am sugerat acest lucru inițial," a spus Fradkin. "Este o stare foarte ciudată și, deși au existat indicii experimentale, nu a existat o confirmare directă a existenței fazei."
"PDW-urile sunt dificil de analizat în materiale reale, deoarece se comportă ca supraconductorii convenționali în unele experimente și ca CDW-uri în altele," a declarat Julian May-Mann, un fost student absolvent la Illinois Grainger Engineering care a lucrat la analiza teoretică a studiului. "Confirmarea existenței unui PDW necesită atât date experimentale de înaltă calitate, cât și o analiză teoretică atentă."
**De ce se remarcă ditelura de uraniu?**
Până în 2019, ditelura de uraniu era considerată, în general, un metal obișnuit. Acest lucru s-a schimbat când cercetătorii au descoperit că intră într-o fază supraconductoare sub 2 Kelvin. Investigații suplimentare au determinat fizicienii să suspecteze că ditelura de uraniu ar putea fi un supraconductor rar cu perechi triplet. Spre deosebire de perechile de electroni descrise de teoria BCS, perechile de electroni triplet posedă momente magnetice. Singurul exemplu confirmat de o "super-fază" cu perechi triplet este heliul-3 superfluid. Sistemul a fost studiat extensiv de regretatul fizician Anthony Leggett, care a primit Premiul Nobel pentru această lucrare. "Supraconductorii cu perechi triplet, cu proprietăți analoage heliul-3 superfluid, sunt conjecturați să existe, iar există mai mulți supraconductori considerați a fi astfel de cazuri," a afirmat Fradkin. "Nu aș spune că întrebarea este complet rezolvată, dar consensul este că ditelura de uraniu este un supraconductor cu perechi triplet."
Ditelura de uraniu a atras, în cele din urmă, atenția grupului de cercetare experimental al lui Madhavan. Folosind microscopia cu sondă tunele, echipa a identificat CDW-uri în material. Însă ceva legat de acele unde nu s-a comportat conform așteptărilor. Câmpurile magnetice le puteau distruge. "O undă de densitate a sarcinii este doar o stare electronică colectivă modulată în spațiu, deci nu există niciun motiv pentru ca acestea să răspundă la câmpuri magnetice, cu atât mai puțin să fie distruse de ele," a spus Madhavan. "Am dus datele noastre la profesorul Fradkin și studenții săi, iar aceștia au prezis că acest lucru s-ar putea întâmpla dacă în sistem există și o undă de densitate a perechilor. Nu sunt multe explicații posibile pentru așa ceva, iar undele de densitate a perechilor sunt cea mai bună pe care o pot concepe."
**Cristale mai bune dezvăluie starea ascunsă**
Pentru a investiga posibilitatea undelor de densitate a perechilor, echipa lui Madhavan a avut nevoie mai întâi de probe mult mai curate de ditelura de uraniu. PDW-urile sunt extrem de delicate și necesită cristale foarte regulate pentru a se forma. Colaboratorii au furnizat probe de o calitate superioară, obținute printr-o nouă metodă de creștere cu flux topit. Cercetătorii le-au examinat apoi folosind un microscop cu sondă tunele cu câmp magnetic vectorial (STM), care permite oamenilor de știință să studieze cum răspunde suprafața unui material la câmpuri magnetice aplicate din diferite direcții. "Nu am putut vedea undele de densitate a perechilor în datele noastre anterioare din cauza impurităților din material care ne-au obturat datele," a spus Madhavan. "Ar fi fost ca și cum am încerca să vedem o lumină într-un nor de ceață. Dar am reușit cu probele mai bune datorită echipamentului nostru nou cu câmp magnetic vectorial. Acesta din urmă a fost deosebit de important, deoarece ditelura de uraniu este anizotropă, deci am avut nevoie de capacitatea de a examina cristalele din mai multe direcții."
"Un avantaj cheie al experimentului nostru a fost echipamentul nou dezvoltat pentru câmp magnetic vectorial, care oferă o gamă neobișnuit de largă de câmpuri magnetice în multiple direcții," a declarat Zhen Zhu, un asociat de cercetare postdoctorală la Illinois Grainger Engineering care a efectuat experimentele. "Această capacitate este deosebit de potrivită pentru ditelura de uraniu, al cărei câmp critic supraconductor superior este puternic anizotrop. Prin variația sistematică atât a magnitudinii, cât și a direcției câmpului, împreună cu temperatura, am putut urmări evoluția acestor moduri și să confirmăm că comportamentul observat a fost intrinsec."
**Perechile Cooper persistă după dispariția supraconductibilității**
Măsurătorile CDW-urilor au relevat moduri care s-au schimbat odată cu temperatura și câmpul magnetic, așa cum era de așteptat pentru PDW-uri. Efectele magnetice le puteau distruge, exact așa cum prezisese explicația undelor de densitate a perechilor. Cel mai izbitor rezultat a venit atunci când cercetătorii au crescut temperatura. Unele moduri au continuat să existe chiar și după ce materialul a depășit temperatura critică și faza supraconductoare principală a dispărut. "Există principii fundamentale în fizica materiei condensate care constrâng modul în care diferite faze pot apărea și dispărea atunci când se modifică temperatura sau se aplică un câmp magnetic," a explicat May-Mann. "Orice explicație a datelor experimentale care se bazează doar pe un CDW este în contradicție cu aceste principii. Explicația bazată pe PDW, pe de altă parte, oferă o explicație satisfăcătoare și consistentă."
Cercetătorii notează o limitare importantă. Imagistica STM măsoară doar efectele de la suprafața materialului, astfel încât experimentul nu dezvăluie direct ce se întâmplă în interiorul ditelurei de uraniu. Chiar și așa, echipa consideră că descoperirile oferă un indiciu puternic și ar putea deschide noi direcții pentru studiul supraconductibilității neconvenționale. "Este posibil ca interiorul unui material să se comporte diferit față de suprafață, dar aceste rezultate experimentale ne oferă totuși un indiciu foarte puternic despre ce se întâmplă în interior," a concluzionat Fradkin. "Ca experimentalist, unul dintre cele mai satisfăcătoare lucruri este atunci când mai multe măsurători independente încep să spună aceeași poveste," a adăugat Zhu. "Aici, dependența de temperatură și câmp magnetic, împreună cu calitatea îmbunătățită a probei, au contribuit toate la dezvăluirea unei imagini remarcabil de consistente a stării de undă de densitate a perechilor."
La această cercetare au contribuit și Yudi Huang, Kaiming Liu, Zheyu Wu, Shanta Saha, Johnpierre Paglione, Alexander Eaton, Andrej Cabala și Michal Vališka. Suportul a fost oferit de Departamentul de Energie al SUA, Biroul de Știință, Biroul de Energie de Bază, Divizia Științei Materialelor și Ingineriei.