W komunikacie przekazanym prasie zespół fizyków z Massachusetts Institute of Technology (MIT) poinformował, że po raz pierwszy w historii udało się uwięzić elektrony w trójwymiarowym krysztale. Wbrew pozorom nie jest to jedynie osiągnięcie dla samego osiągnięcia. Już teraz naukowcy zakładają, że przełoży się ono na zastosowania jak najbardziej praktyczne. Jest to bowiem krok milowy na drodze do stworzenia nowego rodzaju nadprzewodników, charakteryzujących się jedynie drobnymi zmianami w strukturze chemicznej kryształu.
Co do zasady, we wnętrzu każdego przewodnika elektrony przemieszczają się wraz ze swoimi energiami. Kiedy jednak elektrony zostaną uwięzione, ich stany energetyczne ustalają się na tym samym poziomie i zachowują się jak jeden elektron. W takim stanie elektrony zaczynają odczuwać efekty kwantowe innych elektronów. Tak dochodzi do nadprzewodnictwa, czyli inaczej mówiąc ruchu elektronów pozbawionego jakiegokolwiek oporu.
Czytaj także: Nikt tak dużego jeszcze nie stworzył. Ten kryształ istnieje tylko w dwóch wymiarach
Naukowcy już od wielu lat próbowali więzić elektrony w materiałach dwuwymiarowych. Problem jednak w tym, że za każdym razem, kiedy naukowcom udało się zablokować elektronom dwa wymiary jednocześnie, to te uciekały trzecim. To z kolei uniemożliwiało dłuższe utrzymanie płaskiego stanu pasmowego.
Nic zatem dziwnego, że po kilku nieudanych próbach, musiała paść propozycja próby zablokowania elektronu w trzech wymiarach. Takiego zadania podjął się zespół badaczy kierowany przez prof. Josepha Checkelsky’ego z MIT. Jak tłumaczyli badacze, elektron zablokowany w trzech wymiarach nie ucieknie czwartym.
Poszukując odpowiedniego materiału, w którym atomy układają się w odpowiednie trójwymiarowe sieci, we wnętrzu których można uwięzić elektrony, fizycy natknęli się na pirochlor, minerał o zaskakująco symetrycznym układzie atomów. W trzech wymiarach atomy pirochloru układają się w powtarzalne sześciany, które są wprost idealne do próby trójwymiarowego uwięzienia elektronu.
W celu przetestowania swojej hipotezy naukowcy najpierw zsyntetyzowali pirochlor, podgrzewając do bardzo wysokiej temperatury wapń i nikiel. Po ochłodzeniu tak powstałej mieszaniny, jej atomy ułożyły się w odpowiednią strukturę przestrzenną.
Czytaj także: Niesamowity kryształ. Zmienia się w ciecz z bardzo dziwnego powodu
W celu sprawdzenia, czy elektrony poruszają się w nich w płaskim paśmie, na tak stworzoną próbkę skierowano pojedyncze fotony, które miały za zadanie wybicie pojedynczego elektronu. Następnie trzeba było zmierzyć jego energię za pomocą odpowiedniego detektora.
Warto tutaj zwrócić uwagę, że wszystkie wcześniejsze próby tego rodzaju przeprowadzano na materiałach dwuwymiarowych. Teraz jednak w materiale trójwymiarowym, zespół badaczy musiał zmierzyć energię elektrony w niejednorodnym krajobrazie trójwymiarowym.
Z tego też powodu konieczne było zastosowanie metody spektroskopii fotoemisyjnej z rozdzielczością kątową. Skolimowany strumień promieniowania kierowany był w precyzyjnie ustalone punkty na nierównej powierzchni trójwymiarowej, a następnie wykonywano pomiary energii tysięcy elektronów. Wyniki były jednak zaskakujące: wszystkie elektrony na przestrzeni pół godziny miały dokładnie tę samą energię. To oznacza, że udało się osiągnąć płaski stan pasmowy.
Skoro wszystko szło dobrze, badacze postanowili wykonać kolejny krok. Odtwarzając ten sam eksperyment z rodem i rutenem zamiast niklu, naukowcy spodziewali się zachować tę samą strukturę przestrzenną kryształu i jednocześnie ustalić energię elektronów na zerowym poziomie. Gdyby to się udało, mielibyśmy do czynienia z nadprzewodnikiem. Jak się okazało, przewidywania były prawidłowe. Elektrony faktycznie osiągnęły jednorodną energię na poziomie zera.
Co dalej? Przełomu już dokonano. Teraz naukowcy skupią się na optymalizowaniu procesów i tworzeniu materiałów, które będą utrzymywać nadprzewodnictwo w coraz wyższych temperaturach.