Zazwyczaj silne pole magnetyczne niszczy nadprzewodnictwo. Tymczasem na granicy dwóch tlenków, mimo że nadprzewodnictwo osłabło w polu magnetycznym, przy dalszym zwiększaniu pola pojawiło się z powrotem. Międzynarodowy zespół z udziałem fizyka z Politechniki Rzeszowskiej wiąże ten paradoks z przebudową stanów elektronowych w niezwykle cienkiej warstwie.
Nadprzewodnik przewodzi prąd bez oporu, ale robi to tylko w odpowiednich warunkach, zazwyczaj w bardzo niskiej temperaturze. Stan ten łatwo zniszczyć. Wystarczy ogrzać materiał, przepuścić przez niego zbyt duży prąd albo umieścić go w dostatecznie silnym polu magnetycznym. Pole zaburza bowiem pary elektronów, dzięki którym prąd może płynąć bez strat. Istnieją jednak rzadkie wyjątki. W niektórych bowiem materiałach pole magnetyczne najpierw niszczy nadprzewodnictwo, a przy większej wartości pozwala mu powrócić. Zjawisko nazywane nadprzewodnictwem powracającym obserwowano dotąd głównie w trójwymiarowych materiałach o szczególnych właściwościach magnetycznych. W układach dwuwymiarowych, w których elektrony poruszają się niemal wyłącznie w jednej płaszczyźnie, znano wcześniej tylko jeden przykład – odpowiednio skręcone warstwy grafenu.
Nadprzewodnictwo powracające
Międzynarodowy zespół zbadał teraz granicę dwóch tlenków: tytanianu lantanu LaTiO3 i tantalanu potasu KTaO3. Chociaż oba materiały są przestrzennymi kryształami, na ich styku powstaje bardzo cienka warstwa, w której mogą przemieszczać się elektrony. W dostatecznie niskiej temperaturze warstwa ta staje się nadprzewodnikiem. Badacze schłodzili próbkę do bardzo niskiej temperatury i przyłożyli pole magnetyczne równolegle do granicy kryształów. Jednocześnie mierzyli opór oraz za pomocą elektrody zmieniali liczbę elektronów w warstwie. Pozwalało to badać różne warunki w jednej próbce. Początkowo wynik był zgodny z oczekiwaniami: pole osłabiało nadprzewodnictwo. W pobliżu 0,9 T pojawiał się wyraźny wzrost oporu, jednak po czym przy dalszym zwiększaniu pola opór ponownie malał. Oznaczało to powrót transportu nadprzewodzącego. Efekt występował dla szerokiego zakresu liczby elektronów i dla dwóch kierunków przepływu prądu. Udało się go również odtworzyć w drugiej, niezależnie przygotowanej próbce.
Najbardziej zagadkowe było to, że nadprzewodnictwo słabło zawsze przy polu około 0,9 T, niezależnie od temperatury i napięcia sterującego liczbą elektronów. W niektórych znanych materiałach nadprzewodnictwo powraca, ponieważ zewnętrzne pole magnetyczne osłabia magnetyczne działanie samego materiału. Tutaj jednak nie znaleziono śladów takiego wewnętrznego magnetyzmu, a obliczenia wskazały, że ewentualne efekty magnetyczne są bardzo słabe. Naukowcy zaproponowali inny mechanizm, a swoje wyniki opublikowali w czasopiśmie „Science Advances” (DOI: 10.1126/sciadv.aeg0460).
Nowy mechanizm
W ich opracowaniu uczestniczył prof. Vitalii K. Dugaev z Politechniki Rzeszowskiej. Kluczowe mają być szczególna budowa stanów elektronowych na granicy kryształów oraz silny związek między ruchem elektronu i kierunkiem jego spinu, nazywany sprzężeniem spin–orbita. Jest ono wyjątkowo silne między innymi za sprawą ciężkich atomów tantalu.
Stany dostępne dla elektronów można wyobrazić sobie jako mapę terenu. W badanym materiale znajduje się na niej obszar przypominający rozległą przełęcz, w pobliżu której wiele elektronów może mieć bardzo podobną energię. Pole magnetyczne zmienia kształt tej mapy i przesuwa elektrony względem przełęczy. Wywołuje przy tym dwa przeciwne skutki. Z jednej strony utrudnia elektronom dobieranie się w pary, a więc osłabia nadprzewodnictwo. Z drugiej zwiększa liczbę stanów, które mogą uczestniczyć w tworzeniu par, co nadprzewodnictwu sprzyja.
Rywalizacja tych dwóch procesów sprawia, że temperatura, poniżej której materiał jest nadprzewodnikiem, może najpierw maleć, a następnie rosnąć wraz ze wzrostem pola. Przy stałej temperaturze próbka przechodzi wtedy ze stanu nadprzewodzącego do stanu z oporem, a później ponownie staje się nadprzewodnikiem. Obliczenia odtworzyły taki przebieg, ale przedstawiony model jest na razie wyjaśnieniem jakościowym. Badacze nie wykluczają udziału innych zjawisk, związanych na przykład z obecnością kilku grup stanów elektronowych albo słabym magnetyzmem wywołanym defektami kryształu.
Odkrycie pokazuje, że odpowiednio zbudowana granica dwóch materiałów może mieć właściwości, których nie ma żaden z nich osobno. Możliwość sterowania takim układem za pomocą napięcia i pola magnetycznego tworzy nowe laboratorium do badania nietypowego nadprzewodnictwa w dwóch wymiarach.
Źródło: www.naukawpolsce.pl, fot. Pixabay/ CC0
