Στην καλύτερη κατανόηση των αποκαλούμενων «παράξενων μετάλλων» (strange metals), μια κατηγορία υλικών που σχετίζονται με υπεραγωγούς υψηλών θερμοκρασιών και μοιράζονται θεμελιώδη κβαντικά χαρακτηριστικά με μαύρες τρύπες, θα μπορούσε να οδηγήσει μια νέα ανακάλυψη που έκαναν επιστήμονες στις ΗΠΑ.
Οι επιστήμονες κατανοούν πολύ καλά πώς η θερμοκρασία επηρεάζει την ηλεκτρική αγωγιμότητα στα περισσότερα «καθημερινά» μέταλλα, όπως ο χαλκός ή το ασήμι. Ωστόσο τα τελευταία χρόνια προκαλεί όλο και περισσότερο ενδιαφέρον μια κατηγορία υλικών που δεν φαίνεται να ακολουθεί τους «παραδοσιακούς» κανόνες του ηλεκτρισμού. Η κατανόηση αυτών των αποκαλούμενων «παράξενων μετάλλων» θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέες, σημαντικές γνώσεις και συμπεράσματα για τον κβαντικό κόσμο, και πιθανώς να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν περίεργα φαινόμενα όπως η υπεραγωγιμότητα υψηλών θερμοκρασιών.
Ερευνητική ομάδα της οποίας ηγήθηκε φυσικός του Brown University πρόσθεσε μια νέα ανακάλυψη στο μείγμα των «παράξενων μετάλλων»: Σε έρευνα που δημοσιεύτηκε στο Nature η ομάδα διαπίστωσε τέτοια συμπεριφορά σε ένα υλικό όπου το ηλεκτρικό φορτίο δεν μεταφέρεται από ηλεκτρόνια, αλλά από πιο «κυματοειδείς» οντότητες, τα αποκαλούμενα ζεύγη Κούπερ (Cooper pairs).
Αν και τα ηλεκτρόνια ανήκουν σε μια κατηγορία σωματιδίων ονόματι φερμιόνια, τα ζεύγη Κούπερ λειτουργούν ως μποζόνια, τα οποία ακολουθούν πολύ διαφορετικούς κανόνες. Αυτή είναι η πρώτη φορά που συμπεριφορά παράξενων μετάλλων παρατηρείται σε ένα μποζονικό σύστημα και οι ερευνητές ελπίζουν πως η ανακάλυψη αυτή θα μπορούσε να φανεί χρήσιμη ως προς το να διαπιστωθεί πώς ακριβώς λειτουργούν τα παράξενα μέταλλα- κάτι που αποτελεί ερώτημα για τους επιστήμονες εδώ και δεκαετίες. «Έχουμε αυτούς του δύο θεμελιωδώς διαφορετικούς τύπους σωματιδίων, οι συμπεριφορές των οποίων συγκλίνουν γύρω από ένα μυστήριο» είπε ο Τζιμ Βάλες, καθηγητής Φυσικής στο Brown και corresponding author της έρευνας. «Αυτό που λέει είναι πως οποιαδήποτε θεωρία για την επεξήγηση της συμπεριφοράς των παράξενων μετάλλων δεν μπορεί να είναι συγκεκριμένη για κάθε τύπο ή σωματίδιο. Πρέπει να είναι πιο θεμελιώδης».
Η συμπεριφορά τύπου παράξενων μετάλλων πρωτοανακαλύφθηκε περίπου 30 χρόνια πριν, σε μια κατηγορία υλικών, τα αποκαλούμενα cuprates. Αυτά τα υλικά οξειδίου του χαλκού είναι γνωστά ως υπεραγωγοί υψηλών θερμοκρασιών, κάτι που σημαίνει ότι ο ηλεκτρισμός περνά με μηδενική αντίσταση σε θερμοκρασίες πολύ πάνω από αυτές των κανονικών υπεραγωγών. Αλλά ακόμη και σε θερμοκρασίες πάνω από την κρίσιμη θερμοκρασία για την υπεραγωγιμότητα, τα cuprates λειτουργούν παράξενα σε σχέση με άλλα μέταλλα: Καθώς η θερμοκρασία τους αυξάνεται, η αντίστασή τους αυξάνεται με αυστηρά γραμμικό τρόπο. Στα κανονικά μέταλλα αυτή η αντίσταση αυξάνεται μέχρι ενός σημείου και γίνεται διαρκής σε υψηλές θερμοκρασίες, σύμφωνα με τη Θεωρία Υγρών του Φέρμι. Η αντίσταση προκύπτει όταν τα ηλεκτρόνια που ρέουν μέσα σε ένα μέταλλο συγκρούονται με τη δονούμενη ατομική δομή του μετάλλου, με αποτέλεσμα τη διασκόρπισή τους. Η Θεωρία Υγρών του Φέρμι θέτει έναν μέγιστο ρυθμό στον οποίο η διασκόρπιση ηλεκτρονίων μπορεί να λάβει χώρα, μα τα παράξενα μέταλλα δεν ακολουθούν αυτούς τους κανόνες και ουδείς γνωρίζει πώς λειτουργούν.
Αυτό που οι επιστήμονες γνωρίζουν είναι πως η σχέση θερμοκρασίας- αντίστασης στα παράξενα μέταλλα φαίνεται να σχετίζεται με δύο θεμελιώδεις σταθερές της φύσης: Τη σταθερά του Μπόλτζμαν, που αντιπροσωπεύει την ενέργεια που παράγεται από τυχαία θερμική κίνηση, και τη στθαερά του Πλανκ, που σχετίζεται με την ενέργεια ενός φωτονίου. «Για να προσπαθήσουν να κατανοήσουν τι συμβαίνει σε αυτά τα παράξενα μέταλλα, έχουν εφαρμόσει μαθηματικές προσεγγίσεις παρόμοιες με αυτές που χρησιμοποιούνται για την κατανόηση των μαύρων τρυπών» είπε ο Βάλες. «Οπότε υπάρχει κάποια πολύ θεμελιώδης φυσική που λαμβάνει χώρα σε αυτά τα υλικά».
Τα τελευταία χρόνια ο Βάλες και οι συνάδελφοί μελετούν ηλεκτρικές δραστηριότητες στις οποίες οι φορείς του φορτίου δεν είναι ηλεκτρόνια. Το 1952 ο Λίον Κούπερ είχε ανακαλύψει πως στους κανονικούς ημιαγωγούς τα ηλεκτρόνια συγκεντρώνονται και σχηματίζουν ζεύγη Κούπερ, που μπορούν να κινούνται σε ένα ατομικό πλέγμα χωρίς αντίσταση. Αν και σχηματίζονται από δύο ηλεκτρόνια, που είναι φερμιόνια, τα ζεύγη Κούπερ μπορούν να λειτουργούν ως μποζόνια.
«Τα συστήματα μποζονίων και φερμιονίων συνήθως συμπεριφέρονται πολύ διαφορετικά» είπε ο Βάλες. «Αντίθεται με τα μεμονωμένα φερμιόνια, τα μποζόνια μπορούν να μοιράζονται την ίδια κβαντική κατάσταση, κάτι που σημαίνει ότι μπορούν να κινούνται συλλογικά, σαν μόρια νερού στις διακυμάνσεις ενός κύματος».
Το 2019 ο Βάλες και οι συνάδελφοί του έδειξαν πως τα μποζόνια ζευγών Κούπερ μπορούν να παράγουν μεταλλική συμπεριφορά, κάτι που σημαίνει ότι μπορούν να άγουν ηλεκτρισμό με κάποια ποσότητα αντίστασης. Αυτό από μόνο του προκάλεσε έκπληξη, λένε οι ερευνητές, επειδή στοιχεία της κβαντικής θεωρίας υποδείκνυαν ότι το φαινόμενο δεν θα έπρεπε να είναι δυνατόν. Για την τελευταία έρευνα η ομάδα ήθελε να δει αν μέταλλα μποζονικού ζεύγους Κούπερ ήταν επίσης παράξενα μέταλλα.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα υλικό (οξείδιο του χαλκού υττρίου βαρίου) με μικροσκοπικές τρύπες που προκαλούσαν τη μεταλλική κατάσταση ζεύγους Κούπερ. Στη συνέχεια το υλικό ψύχθηκε μέχρι που έφτασε λίγο πάνω από την υπεραγώγιμη θερμοκρασία του για την παρατήρηση αλλαγών στην αγωγιμότητά του. Βρήκαν, όπως στα φερμιονικά παράξενα μέταλλα, μια μεταλλική αγωγιμότητα ζεύγους Κούπερ που ήταν γραμμική σε σχέση με τη θερμοκρασία. Η ανακάλυψη αυτή, θεωρούν οι ερευνητές, δίνει κάτι νέο προς μελέτη ως προς την κατανόηση της συμπεριφοράς των παράξενων μετάλλων.
Μακροπρόθεσμα μια θεωρία παράξενων μετάλλων θα μπορούσε να έχει σημαντικές επιπτώσεις, καθώς θα μπορούσε να αποτελεί το «κλειδί» για την κατανόηση της υπεραγωγιμότητας υψηλών θερμοκρασιών, κάτι που με τη σειρά του παρέχει μεγάλες δυνατότητες για τομείς όπως οι κβαντικοί υπολογιστές, νέας γενιάς ηλεκτρικά δίκτυα κ.α.