Οι φυσικοί πραγματοποίησαν τις πρώτες αναμφισβήτητες μετρήσεις μιας δύσκολα ανιχνεύσιμης υπεραγώγιμης κατάστασης.
Σχεδόν σε όλους τους υπεραγωγούς που έχουν ανακαλυφθεί μέχρι σήμερα, τα ζεύγη Cooper, δηλαδή ζεύγη ηλεκτρονίων που μεταφέρουν συλλογικά το υπερρεύμα, σχηματίζονται από το ζευγάρωμα δύο ηλεκτρονίων με αντίθετα σπιν (spin-singlet). Όμως, η θεωρία προβλέπει ότι, υπό ορισμένες συνθήκες, τα ζεύγη Cooper μπορούν επίσης να σχηματιστούν από ηλεκτρόνια με παράλληλα σπιν. Μια ερευνητική ομάδα στο Πανεπιστήμιο της Οκαγιάμα στην Ιαπωνία, με επικεφαλής τον Guoqing Zheng, πραγματοποίησε μία από τις πιο αδιαμφισβήτητες μέχρι σήμερα μετρήσεις μιας τέτοιας υπεραγωγιμότητας «τριπλής κατάστασης σπιν» (spin-triplet).
Η υπεραγωγιμότητα είναι ένα από τα πιο εντυπωσιακά φαινόμενα διότι αποτελεί μια απροσδόκητη εξαίρεση στον εμπειρικό κανόνα ότι κάθε ροή υπόκειται σε απώλειες λόγω τριβών. Σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, τα ηλεκτρόνια στο εσωτερικό ορισμένων υλικών παύουν να κινούνται άτακτα. Αντίθετα, ζευγαρώνουν δημιουργώντας τα λεγόμενα ζεύγη Cooper. Aυτά τα ζεύγη συμπεριφέρονται συλλογικά ως νέα οιονεί σωματίδια μέσα στο κρυσταλλικό πλέγμα και αποτελούν τον βασικό μηχανισμό που επιτρέπει στο ρεύμα να ρέει μέσα στο υλικό χωρίς να συναντά καμία απολύτως ηλεκτρική αντίσταση.
Το πώς ακριβώς αλληλεπιδρούν αυτά τα δύο ηλεκτρόνια εξαρτάται από το κβαντικό τους σπιν, χωρίζοντας την υπεραγωγιμότητα σε δύο βασικές κατηγορίες: την απλή κατάσταση (singlet) και την τριπλή κατάσταση (triplet). Στην κατάσταση singlet, τα ηλεκτρόνια του ζεύγους έχουν αντίθετα σπιν, με αποτέλεσμα o κβαντικός αριθμός συνολικού σπιν να είναι S=0. Εξαιτίας της απαγορευτικής αρχής του Pauli, αυτά τα ηλεκτρόνια με τα αντίθετα σπιν επιτρέπεται κβαντομηχανικά να βρεθούν πολύ κοντά το ένα στο άλλο. Στον αντίποδα, στην τριπλή κατάσταση τα ηλεκτρόνια έχουν παράλληλα σπιν, δίνοντας κβαντικό αριθμό συνολικού σπιν S=1. Σε αυτή την περίπτωση, η αρχή του Pauli τα αναγκάζει να παραμένουν σε απόσταση, γεγονός που κάνει την δημιουργία και την διατήρηση του ζεύγους πολύ πιο περίπλοκη. Αυτή η διαφορά στην διάταξη του σπιν καθορίζει και την συμπεριφορά τους στα μαγνητικά πεδία. Στην κατάσταση singlet που συναντάται στους περισσότερους γνωστούς υπεραγωγούς, το μαγνητικό πεδίο αναγκάζει το ένα από τα δύο ηλεκτρόνια να αλλάξει φορά, καταστρέφοντας το ζεύγος Cooper και την υπεραγωγιμότητα. Αντίθετα, η εξαιρετικά σπάνια και δύσκολα ανιχνεύσιμη τριπλή κατάσταση αποδεικνύεται ιδιαίτερα ανθεκτική και μπορεί να επιβιώσει παρουσία ισχυρών μαγνητικών πεδίων. Eφόσον τα σπιν τους είναι ήδη παράλληλα, το μαγνητικό πεδίο απλώς ευθυγραμμίζει ολόκληρο το ζεύγος χωρίς να το καταστρέφει.
Η υπεραγωγιμότητα τριπλής κατάστασης σπιν είναι πολύ πιο σπάνια από την συνήθη υπεραγωγιμότητα απλής κατάστασης σπιν, επειδή ο μηχανισμός ζευγαρώματος των ηλεκτρονίων διαταράσσεται ευκολότερα. Τα δύο είδη υπεραγωγιμότητας διακρίνονται χρησιμοποιώντας την τεχνική του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR), καθώς οι ιδιότητες του πυρηνικού σπιν ενός υλικού επηρεάζονται από τα σπιν των ηλεκτρονίων του. Η αδιάσειστη απόδειξη της υπεραγωγιμότητας τριπλής κατάστασης είναι μια υπεραγώγιμη φάση της οποίας οι ιδιότητες του σπιν μεταβάλλονται ανάλογα με την θερμοκρασία, με την ένταση και την κατεύθυνση ενός μαγνητικού πεδίου.
Ενδείξεις του φαινομένου είχαν παρατηρηθεί στο παρελθόν σε ενώσεις που περιέχουν ουράνιο, των οποίων οι ισχυρές μαγνητικές διακυμάνσεις διατηρούν εύκολα την υπεραγωγιμότητα τριπλής κατάστασης σπιν. Παρόλα αυτά, η εξασφάλιση πειστικών αποδείξεων αποδείχθηκε δύσκολη, διότι η ισχυρή σύζευξη σπιν-τροχιάς του ουρανίου καθιστά σχεδόν αδύνατο τον διαχωρισμό των επιδράσεων των ζευγών Cooper από αυτές των εξωτερικών ηλεκτρονίων σθένους.
Αντί για ουράνιο, ο Zheng και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν K2Cr3As3, του οποίου η απουσία ισχυρής σύζευξης σπιν-τροχιάς καθιστά τις μετρήσεις NMR λιγότερο διφορούμενες. Ο λόγος που το υλικό αυτό έχει μελετηθεί σχετικά λίγο είναι διττός: το NMR απαιτεί μεγάλους, υψηλής ποιότητας μονοκρυστάλλους, οι οποίοι είναι δύσκολο να συντεθούν, ενώ το K2Cr3As3 αντιδρά έντονα με το οξυγόνο, γεγονός που περιπλέκει τη διαδικασία μέτρησης.
Οι ερευνητές πέρασαν τρία χρόνια μαθαίνοντας πώς να ξεπεράσουν αυτά τα προβλήματα προτού καταφέρουν τελικά να μετρήσουν τρεις διακριτές, μακροσκοπικές υπεραγώγιμες φάσεις του υλικού, καθεμία με διαφορετικές ιδιότητες πυρηνικού σπιν. Και οι τρεις αυτές φάσεις προκύπτουν από ζευγάρωμα τριπλής κατάστασης σπιν, όμως μόνο μία από αυτές τις μακροσκοπικές διαμορφώσεις φιλοξενεί δεσμευμένες καταστάσεις Majorana, οι οποίες θα μπορούσαν να αποτελέσουν το θεμέλιο για ανθεκτικούς σε σφάλματα κβαντικούς υπολογιστές.
Πηγές:
https://physicsgg.me/
1. A New Spin on Superconductivity – https://physics.aps.org/articles/v19/s106
2. Definitive Measurement of Spin-Triplet Superconductivity- https://physicsandphysicists.blogspot.com/2026/08/definitive-measurement-of-spin-triplet.html
3. Υπεραγωγιμότητα – https://physicsgg.me/2010/12/28
tinanantsou.blogspot.gr
