Pseudoprzerwa w nadprzewodnikach żelazowych

W roku 1911 Heike Kamerling Onnes i jego współpracownicy odkryli nadprzewodnictwo zauważając, że opór elektryczny rtęci schłodzonej do temperatury ciekłego helu spada do niemierzalnej wartości. Od pierwszej obserwacji zjawiska nadprzewodnictwa upłynęło więc już ponad sto lat, a wiele własności nadprzewodników wciąż pozostaje niewyjaśnionych. O ile jeszcze dość dobrze rozumiemy zjawiska zachodzące w tzw. materiałach klasycznych, to odkrycie w roku 1986 stanu nadprzewodzącego w nowej rodzinie związków tlenkowo-miedziowych nie doczekało się zadowalającego wytłumaczenia, pomimo ogromu pracy poświęconej ich badaniom. Niewyjaśniony pozostaje również mechanizm prowadzący do pojawiania się nadprzewodnictwa w badanych od roku 2006 związkach żelazowych. Materiały te wzbudziły szerokie zainteresowanie, chociaż temperatura, poniżej której pojawia się w nich stan nadprzewodzący nie jest rekordowo wysoka. Niemniej jednak słaba zależność własności fizycznych nadprzewodników żelazowych od kierunku krystalograficznego (niska anizotropia)w połączeniu ze zdolnością do przenoszenia dużych prądów oraz „odpornością” stanu nadprzewodzącego na wysokie pola magnetyczne, dają nadzieję na praktyczne zastosowania. Ponadto nadprzewodniki żelazowe, dzięki pewnym podobieństwom do innych nadprzewodników niekonwencjonalnych, mogą służyć jako wygodny materiał porównawczy pozwalający wyciągać bardziej ogólne wnioski. Jedną ze wspólnych cech nadprzewodników niekonwencjonalnych wydaje się być występowanie na diagramie fazowym obszaru, gdzie w strukturze elektronowej materiału pojawia się niezupełna przerwa energetyczna, co określono jako formowanie się tak zwanej pseudoprzerwy (PG z ang. pseudogap). Własności pseudoprzerwy nie są dobrze poznane i co istotne, nie została jeszcze wyjaśniona relacja pomiędzy nią a nadprzewodnictwem.

Celem projektu jest weryfikacja istnienia fazy PG na diagramach różnych przedstawicieli nadprzewodników żelazowych, a także próba określenia własności tego egzotycznego stanu. Przedmiotem badań są własności transportowe nadprzewodników, ponieważ pojawienie się pseudoprzerwy istotnie wpływa na zachowanie prawa Wiedemanna-Franza, opisującego relację pomiędzy przewodnością elektryczną i cieplną danego materiału. Zespół badawczy planuje przeprowadzić systematyczne pomiary oporu elektrycznego, przewodnictwa cieplnego oraz efektów Halla i Righi-Leduca (zwanego termicznym efektem Halla) w seriach domieszkowanych monokryształów nadprzewodników żelazowych, gdzie część „oryginalnych” składników zostanie zastąpiona atomami pierwiastków zmieniających własności materiału. Kryształy będą hodowane w Instytucie Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych PAN we Wrocławiu, a także w Instytucie im. Paula Scherrera w Villigen w Szwajcarii.

Analiza otrzymanych wyników powinna pozwolić na weryfikację istniejących teorii nadprzewodnictwa niekonwencjonalnego i może stanowić istotny krok ku wyłonieniu właściwego modelu stanu nadprzewodzącego. Z kolei otrzymanie właściwego opisu nadprzewodnictwa niekonwencjonalnego będzie miało nieoceniony wpływ zarówno na badania podstawowe, jak i aplikacyjne.

Dr Marcin Matusiak

Fizyk zatrudniony w Instytucie Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych PAN we Wrocławiu. Spędził rok pracując na Uniwersytecie Florydy w Gainesville w Stanach Zjednoczonych i dwa lata na Uniwersytecie w Cambridge w Wielkiej Brytanii. Zajmuje się badaniem własności nadprzewodników niekonwencjonalnych i innych materiałów, których układ elektronowy wykazuje silne korelacje. Interesują go przede wszystkim zjawiska transportu ciepła i ładunku elektrycznego zachodzące w polu magnetycznym.

Data publikacji: 20.07.2012