Στην επέτειο της εθνικής μας εορτής, στις 25 Μαρτίου 2011, στο επιστημονικό περιοδικό Science δημοσιεύθηκαν τα πορίσματα συνδυασμένων πειραμάτων εργαστηρίων των αμερικανικών πανεπιστημίων Berkeley και Stanford. Περιείχαν την απάντηση σε μία εικοσαετία ερευνών: Το μυστηριώδες «ψευδοκενό» που παραμένει όταν ανεβεί η θερμοκρασία ενός υπεραγώγιμου οξειδίου του χαλκού συνιστά νέου τύπου φάση της ύλης.
Η είδηση ακούγεται κρυπτογραφική από τους πολλούς, καθώς εμπερικλείει αρκετές λέξεις-κλειδιά που είναι από ασαφείς έως απολύτως άγνωστες: Τι εστί «ψευδοκενό», για ποια «θερμοκρασία» μιλάμε, τι σημαίνει «υπεραγώγιμο» και τι «φάση της ύλης»; Σκόπιμο, λοιπόν, να πιάσουμε την ιστορία από την αρχή της…
Τί μαθαίναμε στο σχολείο…
Τα σχολικά βιβλία φυσικής και χημείας ξεκινούν από τις ορατά διακριτές καταστάσεις της ύλης και τη συμπεριφορά τους στα πλαίσια της νευτώνειας μηχανικής, για να καταλήξουν να περιγράψουν συνοπτικά τα όσα μάθαμε μετά τη θεωρία της σχετικότητας και την εμφάνιση της κβαντομηχανικής για τα όσα συμβαίνουν στον υποατομικό κόσμο των σωματιδίων της ύλης. Κάπου εκεί σταματά η επαφή των πολλών από εμάς με τα εσώτερα μυστήρια. Το μόνο που διαρρηγνύει το «μικροκοσμικό παραπέτασμα» της άγνοιάς μας είναι η σποραδική ενημέρωση για πολυέξοδα πειράματα, όπως το «κυνήγι του σωματιδίου του Θεού» από το Ευρωπαϊκό Κέντρο Πυρηνικών Ερευνών CERN, που μας καθιστά κοινωνούς εννοιών όπως το «μποζόνιο του Χιγκς». Αλλά το τι ακριβώς ρόλο παίζουν τα μποζόνια και γιατί είναι σημαντικά… πόσοι το έμαθαν;
Ισως σκεφθείτε ότι μια τέτοια γνώση μάς περισσεύει, ενόσω άλλοι φτιάχνουν τις θαυματουργές μικροσυσκευές που κατακλύζουν τον καταναλωτικό πολιτισμό μας. Και έτσι, τι μας μέλει το ότι όλα όσα έχτισαν η μικροηλεκτρονική, η πληροφορική, οι τηλεπικοινωνίες και η επιστήμη υλικών στον προηγούμενο μισό αιώνα δεν είναι παρά εφαρμογές της έρευνας στον κόσμο των υποατομικών σωματιδίων; Αποδεκτή ως άποψη εφόσον εσαεί τα σπίτια θα χτίζονται από τούβλα, αλλά απίστευτα επιπόλαιη όταν επίκειται σαρωτική αλλαγή του τρόπου δόμησης. Διότι αυτό ακριβώς συμβαίνει στην αρχή του νέου αιώνα: η φυσική ετοιμάζεται να τροποποιήσει ριζικά το μοντέλο της για τον κόσμο και οι εφαρμογές που θα προκύψουν θα τον κάνουν αγνώριστο! Οι καταλύτες μιας τέτοιας αλλαγής είναι ακριβώς οι γνώσεις που τώρα αποκτούμε για τον αόρατο μικρόκοσμο της ύλης.
Κατεψυγμένα μυστήρια
Το ότι σε θερμοκρασία απολύτου μηδενός συμβαίνουν «περίεργα πράγματα» ήταν ήδη γνωστό από το 1911, όταν πρωτοδιαπιστώθηκε η ύπαρξη της «υπεραγωγιμότητας». Δηλαδή ότι σε θερμοκρασία μεταξύ 4 και 15 K (τη λεγόμενη Tc) καταργείται η όποια αντίσταση στη ροή ηλεκτρικού ρεύματος. Αρχικά το φαινόμενο αυτό θεωρήθηκε ότι λαμβάνει χώρα μόνο στα μέταλλα, αλλά το 1987 διαπιστώθηκε και στα κεραμικά. Την προηγούμενη ακριβώς χρονιά, το 1986, είχε ανακαλυφθεί μια άλλη κατηγορία «εξωτικών υπεραγωγών»: οι υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας. Με τον όρο «υψηλή» μη φαντασθείτε κάτι το ζέον. Απλά είχαν βρει ότι κάποια οξείδια του χαλκού (cuprates αγγλιστί) κατόρθωναν να χάνουν την αντίστασή τους στο ηλεκτρικό ρεύμα σε θερμοκρασία σχεδόν πενταπλάσια της «κανονικής Tc» (θερμοκρασία 135 Κ ή -138,15° C).
Σε όλους τους υπεραγωγούς, τα ηλεκτρόνια «ζευγαρώνουν» για να κάνουν τη διέλευσή τους από το υλικό (τα λεγόμενα Cooper pairs). Αυτή η απουσία μοναδιαίων ηλεκτρονίων ονομάζεται «υπεραγώγιμο κενό» και εξαφανίζεται μόλις η θερμοκρασία ανεβεί πάνω από την Tc. Δηλαδή, τα ηλεκτρόνια ανακτούν την προγενέστερη ενέργειά τους και επιστρέφουν στη μοναχική ζωή τους, κλείνοντας το κενό. Ωστόσο στους υπεραγωγούς «υψηλής θερμοκρασίας» (τα cuprates που λέγαμε) διαπιστώθηκε μια ανωμαλία: το υπεραγώγιμο κενό συνέχισε να υπάρχει και πάνω από την Tc, έως μια θερμοκρασία ακόμη και 100 βαθμούς υψηλότερη, που ονομάζεται T*. Η εμφάνιση αυτού του «ψευδοκενού» (pseudogap) στα οξείδια του χαλκού και το «τι ακριβώς κάνουν τα ηλεκτρόνια όταν βρίσκονται σε αυτή τη φάση» αποτέλεσαν ένα μυστήριο άλυτο τα τελευταία 15 χρόνια.
{{{ moto }}}
Μετάβαση ή νέα φάση;
Τα σενάρια επίλυσης του προβλήματος συσπειρώθηκαν σε δύο σχολές σκέψης. Η μία έλεγε ότι το ψευδοκενό είναι προάγγελμα της φάσης υπεραγωγιμότητας. Δηλαδή, ότι καθώς η θερμοκρασία του υλικού κατέρχεται – φθάνοντας πρώτα στην T* – κάποια ζεύγη ηλεκτρονίων αρχίζουν να σχηματίζονται αλλά δεν είναι ακόμη ικανά να «μιλήσουν μεταξύ τους». Ενόσω η θερμοκρασία συνεχίζει να πέφτει, ακόμη περισσότερα ζεύγη σχηματίζονται και αρχίζουν να επικοινωνούν, ώσπου να φθάσουν στην Tc, οπότε επέρχεται η μία και μόνη αλλαγή φάσης στην υπεραγωγιμότητα με την πλήρη «κοινή νέα γλώσσα επικοινωνίας των ζευγών». Η άλλη σχολή διατεινόταν ότι η εμφάνιση του ψευδοκενού στη θερμοκρασία Τ* συνιστά αφ’ εαυτής αληθή αλλαγή φάσης. Δηλαδή, ότι το ψευδοκενό δεν αποτελεί ομαλή εξέλιξη προς την υπεραγωγιμότητα, αλλά είναι μια κατάσταση διακριτή και από τη μεταλλικότητα και από την υπεραγωγιμότητα. Αυτή η ύπαρξη νέας φάσης προϋποθέτει την ύπαρξη ενός «κβαντικά κρίσιμου σημείου» στο σημείο διάκρισης μεταξύ των φάσεων. Η θεωρητική συνέπεια ενός τέτοιου σημείου είναι ότι μπορεί να υπάρχουν πολλοί νέοι δρόμοι επίτευξης της υπεραγωγιμότητας.
Η τελική απάντηση _ η οποία δικαίωσε τη δεύτερη σχολή _ δόθηκε με την προαναφερθείσα δημοσίευση της 25ης Μαρτίου, από την τριπλή πειραματική εξέταση της συμπεριφοράς ενός τέτοιου υπεραγωγού (του Pb-Bi2201): εξετάστηκαν η συμπεριφορά των ηλεκτρονίων στην επιφάνεια του δείγματος, η θερμοδυναμική συμπεριφορά στο εσωτερικό του και οι αλλαγές στις δυναμικές του ιδιότητες. Το πρώτο πείραμα έγινε στο Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), με ακτίνες Χ που διήγειραν τα ηλεκτρόνια της επιφάνειας και κατέγραψαν την κινητική ενέργεια και την ορμή τους. Το δεύτερο έγινε στο Stanford Institute for Materials and Energy Science (SIMES), με μέτρηση των περιστροφών των επιπέδων πόλωσης του ανακλώμενου φωτός ενόσω άλλαζε η θερμοκρασία (κατά το μαγνητικο-οπτικό φαινόμενο Kerr). Το τρίτο πείραμα έγινε στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley, με μια δέσμη ακτίνων λέιζερ που διήγειρε ηλεκτρόνια σε βάθος κάποιων ατόμων και άλλες δέσμες που μέτρησαν τις αλλαγές στην ανακλαστικότητα, σε διάφορες θερμοκρασίας.
Και τα τρία πειράματα κατέληξαν στο εντυπωσιακά ίδιο συμπέρασμα: Το ηλεκτρόνια του «ψευδοκενού» δεν είναι ούτε μοναχικά ούτε ζευγάρια. Οργανώνονται σε μια σχέση εντελώς αλλιώτική απ’ ό,τι έχουμε ξαναδεί, που συνιστά εντελώς νέα «φάση ύλης». Μάλιστα, αυτή η νέου τύπου οργάνωσή τους προϋπάρχει της θερμοκρασίας Tc, όταν το οξείδιο του χαλκού ήταν ακόμη υπεραγώγιμο.
Οπότε, τι;
Παρά τη μεγάλη χαρά τους για τη συγχρονισμένη επιτυχία, οι φυσικοί των τριών ερευνητικών ομάδων δεν σπεύδουν να μας γεμίσουν υποσχέσεις. Συνοψίζουν τα επόμενα βήματά τους στα εξής τρία στάδια: Πρώτα πρέπει να αποκαλυφθεί πλήρως η φύση της οργάνωσης στο «ψευδοκενό». Επειτα πρέπει να αποσαφηνιστεί αν η φύση αυτή είναι φιλική ή εχθρική προς την υπεραγωγιμότητα. Και μετά να βρεθεί ο τρόπος να ενισχύεται η οργάνωση του «ψευδοκενού» αν είναι φιλική ή να καταλύεται αν είναι εχθρική.
Οι μηχανικοί, οι οποίοι περιμένουν τα αποτελέσματα αυτών των ερευνών για να αρχίσουν τις εφαρμογές, τρίβουν ήδη τα χέρια τους. Είχαν ως τώρα «τρένα μαγνητικής ανύψωσης» και «υπεραγώγιμες ταινίες για μαγνητικούς τομογράφους», αλλά με το κόστος της ενεργοβόρας βαθιάς κατάψυξης. Αν η εκμετάλλευση των ιδιοτήτων του «ψευδοκενού» οδηγήσει σε υπεραγωγό θερμοκρασίας δωματίου (300 Κ), τότε όχι μόνον οι εφευρέτες του θα πάρουν το Νομπέλ αλλά και εμείς θα βρεθούμε σε έναν κόσμο ολότελα διαφορετικό. Εναν κόσμο όπου το ρεύμα και οι πληροφορίες θα κυκλοφορούν με ταχύτητες αδιανόητες ως τώρα και οι άνθρωποι θα μετακινούνται με… «συσκευές αντιβαρύτητας»!
Σχηματική αναπαράσταση του… διαφορετικού χορού των ηλεκτρονίων στο παγωμένο «ψευδοκενό», το οποίο συνιστά τη νέα φάση ύλης που βρήκαμε
Η ΚΟΣΜΟΓΟΝΙΚΗ ΛΙΛΙΠΟΥΠΟΛΗ
Τα «τούβλα» της νέας εποχής πρωτοπροσδιορίστηκαν πριν από έναν αιώνα, από τα «θεωρητικά ιερά τέρατα της φυσικής», Bose, Einstein, Fermi και Dirac. Μέσω των μαθηματικών τους εξισώσεων, μάς είπαν πώς η συμπεριφορά της ύλης καθορίζεται από τις «σχέσεις δύο φυλών» υποατομικών σωματιδίων: των μποζονίων και των φερμιονίων (ονόματα που δανείστηκαν από τους Bose και Fermi, αντίστοιχα).
Τα μεν πρώτα μπορούν να συνυπάρχουν στον ίδιο χώρο έχοντας την ίδια ενέργεια (την ίδια κβαντική κατάσταση), τα δε δεύτερα δεν μπορούν. Οπότε τα μποζόνια μπορούν να είναι φορείς δυνάμεων, ενώ τα φερμιόνια καταλήγουν στη στιβαρότητα που χαρακτηρίζει την ύλη όπως τη γνωρίζουμε. Ευνόητο είναι τώρα να πούμε ότι όλες οι ακτινοβολίες – από τη θερμική ακτινοβολία της Μεγάλης Εκρηξης ως τις ακτίνες λέιζερ ή τη διαρροή ραδιενέργειας στη Φουκουσίμα – είναι απόρροια «στατιστικής των μποζονίων».
Αλλά δεν είναι ευνόητο αυτό που εντόπισαν το 1924 οι Bose και Einstein: Σε θερμοκρασία απολύτου μηδενός (0 K ή -273,15° C) και υπό εξωτερικό ενεργειακό πεδίο, κάποια μποζόνια αποκτούν τη χαμηλότερη κβαντική κατάσταση του ενεργειακού πεδίου, επιτρέποντάς μας να παρατηρήσουμε κβαντικά φαινόμενα σε μακροσκοπική κλίμακα. Αυτή η κατάσταση της ύλης, δηλαδή αέριο από ασθενώς αλληλεπιδρούντα μποζόνια, ονομάστηκε «συμπύκνωμα Bose – Einstein» (BEC). Αυτό έγινε θεωρητικά το 1925, αλλά πρακτικά αποδείχθηκε μόλις το 1995, με κατεψυγμένο αέριο ατόμων ρουβιδίου, χαρίζοντας στην αντίστοιχη ομάδα των τριών ερευνητών το Νομπέλ Φυσικής. Τον Νοέμβριο που μας πέρασε, παρατηρήθηκε και το πρώτο BEC φωτονίων.
Κύβος αιωρείται μαγνητικά πάνω από κατεψυγμένο υπεραγωγό. Μπορεί η σχέση μαγνητισμού – υπεραγωγιμότητας να μας οδηγήσει στην «αντιβαρύτητα»;
Η ΣΧΕΣΗ ΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΥ – ΥΠΕΡΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑΣ
Μακροσκοπικά – και επιπόλαια – η κίνηση της βελόνας της πυξίδας προς τον Βορρά εξηγείται με το ότι «αυτό το μέταλλο, που μάλλον πρωτοβρέθηκε στη Μαγνησία, ψάχνει πάντα τον Βόρειο Πόλο». Μικροσκοπικά, όμως, η εξήγηση είναι διαφορετική: Τα αεικίνητα ηλεκτρόνια χαρακτηρίζονται από τη στροφορμή τους (spin, αγγλιστί), η οποία έχει κατεύθυνση ή προς τα επάνω ή προς τα κάτω. Στα περισσότερα υλικά, το αν το spin του κάθε τυχαίου ηλεκτρονίου κοιτάζει πάνω ή κάτω είναι τυχαίο, αλλά στα μαγνητικά υλικά κοιτάζουν όλα προς την ίδια κατεύθυνση. Και επειδή το ίδιο συμβαίνει και στο μαγνητισμένο μάγμα του εσωτερικού της Γης… θυμάστε τα περί ετερώνυμων πόλων και βρίσκετε την απάντηση.
Ενα χαρακτηριστικό επίσης των ηλεκτρονίων είναι ότι η άτακτη κίνησή τους οδηγεί αναπόφευκτα σε συγκρούσεις με τους λοιπούς γείτονες της ατομικής κοινωνίας ή με τα αδελφά ηλεκτρόνια. Επομένως, όταν θέτουμε ένα ηλεκτραγωγό στοιχείο υπό τάση, οι συγκρούσεις κατά τη μαζική ροή των ηλεκτρονίων καταλήγουν σε απώλεια ενέργειας (αυτήν που γνωρίζουμε ως ηλεκτρική αντίσταση). Στους υπεραγωγούς, όμως, συμβαίνει το εκπληκτικό τα ηλεκτρόνια να «ζευγαρώνουν» και να κινούνται χωρίς να κονταροχτυπιούνται. Να έχει αυτό σχέση με τη «μονοκατευθυντότητα» που παρατηρούμε στον μαγνητισμό;
Στις 13 Δεκεμβρίου 2010 μια εργασία ερευνητών των πανεπιστημίων Rice των ΗΠΑ και Max Planck της Γερμανίας, που δημοσιεύθηκε στο Nature Physics, μας έδωσε την απάντηση: «Κατά το πέρασμα ενός υλικού σε υπεραγώγιμη φάση, επιτελείται δραστική αλλαγή του μαγνητικού του φάσματος, με μεγάλη εξοικονόμηση μαγνητικής ενέργειας. Συγκεκριμένα, η περίσσεια ενέργειας που μετρήθηκε ήταν δεκαπλάσια εκείνης που χρειάζονταν τα ηλεκτρόνια για να σχηματίσουν ζεύγη Cooper».
Το εύρημα, μολονότι η όλη διεργασία δεν έχει γίνει ακόμη απολύτως κατανοητή, είναι καταλυτικό. Διότι, αν ο μαγνητισμός μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ενισχυτής της υπεραγωγιμότητας, ίσως να επιταχυνθεί η εύρεση υπεραγωγών που θα λειτουργούν και σε συνθήκες μη κατάψυξης.
Από μια άλλη σκοπιά, θυμίζουμε _ σε όσους αναγνώστες διάβασαν και το άρθρο μας «Απαλλαγή από τα βάρη!» ότι η συσχέτιση μαγνητισμού και υπεραγωγιμότητας οδήγησε κάποιους ερευνητές σε «μηχανές ανάκλασης της βαρύτητας». Μήπως τώρα δικαιωθούν;
a. kafantaris@gmail. com
