Nowa teoria nadprzewodnictwa wyjaśniająca nadprzewodnictwo

Badacz z Uniwersytetu Tsukuba przedstawia nowy model teoretyczny nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego, w którym prąd elektryczny może płynąć bez oporu, co może prowadzić do bardzo wydajnego wytwarzania i przesyłania energii.

Naukowiec z Wydziału Fizyki Kwantowej Materii Skondensowanej Uniwersytetu Tsukuba sformułował nową teorię nadprzewodnictwa. Model ten, oparty na obliczeniach „Berry connection”, pomaga lepiej wyjaśnić nowe wyniki eksperymentalne niż obecna teoria. Prace mogą umożliwić przyszłym sieciom elektrycznym przesyłanie mocy bez strat.

Nadprzewodniki to wspaniałe materiały, które mogą wydawać się nijakie w warunkach otoczenia, ale po schłodzeniu do ekstremalnie niskich temperatur umożliwiają przepływ prądu elektrycznego bez oporu. Istnieje wiele oczywistych zastosowań nadprzewodnictwa, takich jak bezstratny transfer energii, ale fizyka stojąca za tym procesem wciąż nie jest jasno zrozumiana. Dobrze ugruntowany sposób myślenia o przejściu od normalnego do nadprzewodnictwa nazywa się teorią Bardeena-Coopera-Schrefera (BCS). W tym modelu, o ile wzbudzenie termiczne jest wystarczająco małe, cząstki mogą tworzyć „pary Coopera”, które podróżują razem i są odporne na rozpraszanie. Jednak model BCS nie wyjaśnia odpowiednio wszystkich typów nadprzewodników, co ogranicza naszą zdolność do tworzenia bardziej wytrzymałych materiałów nadprzewodzących, które działają w temperaturze pokojowej.

Teraz naukowiec z Uniwersytetu Tsukuba opracował nowy model nadprzewodnictwa, który lepiej ujawnia zasady fizyczne. Zamiast skupiać się na sprzężeniu naładowanych cząstek, ta nowa teoria wykorzystuje narzędzie matematyczne zwane połączeniem Berry’ego. Ta wartość oblicza skręcanie przestrzeni, w której przemieszczają się elektrony. „W standardowej teorii BCS źródłem nadprzewodnictwa jest sprzężenie elektronów. W tej teorii nadprąd definiuje się jako niedyssypacyjny przepływ sprzężonych elektronów, podczas gdy pojedyncze elektrony nadal cierpią z powodu oporu” – mówi profesor Hiroyasu Koizumi.

Na przykład złącza Josephsona powstają, gdy dwie warstwy nadprzewodników są oddzielone cienką barierą wykonaną ze zwykłego metalu lub izolatora. Chociaż są szeroko stosowane w wysokorozdzielczych detektorach pola magnetycznego i komputerach kwantowych, złącza Josephsona również nie pasują do wewnętrznej teorii BCS. „W nowej teorii rolą sprzężenia elektronów jest stabilizacja połączenia Berry’ego, a nie bycia przyczyną nadprzewodnictwa per se, a nadprądem jest przepływ pojedynczych i podwójnych elektronów generowanych przez skręcenie przestrzeni. Elektrony poruszają się z powodu połączenie Berry” – mówi profesor Koizumi.Te badania mogą przyczynić się do postępu w obliczeniach kwantowych, a także do oszczędzania energii.

Odniesienie: „Nadprzewodnictwo poprzez połączenie Berry’ego funkcji falowych wielu ciał: ponowne odwiedzenie odbicia Andreeva-St Jamesa i efektu Josephsona” autorstwa Hiroyasu Koizumi, 5 lipca 2021 r., Dostępne tutaj. Dziennik nadprzewodnictwa i nowego magnetyzmu.
DOI: 10.1007/s10948-021-05905-s