Dwuwymiarowym nadprzewodnikiem w tym konkretnym eksperymencie była gruba na jeden atom warstwa półmetalicznego ditelurku wolframu. Zachowanie fluktuacji kwantowych w tym konkretnym materiale wykracza poza wszystkie znane procesy fizyczne, a tym samym najprawdopodobniej do jego wyjaśnienia niezbędne będzie opracowanie zupełnie nowej teorii. Naukowcy wskazują, że owa nowa teoria może nam pozwolić lepiej zrozumieć właściwości nadprzewodników, czyli tych unikalnych materiałów, w których prąd elektryczny płynie bez jakiegokolwiek oporu. Możliwe nawet, że na podstawie tej nowej wiedzy uda się opracować nadprzewodniki działające w temperaturze pokojowej, które są swoistym świętym Graalem, którego odkrycie pozwoliłoby ludzkości na dokonanie prawdziwego skoku technologicznego na miarę rewolucji przemysłowej.
W najnowszym artykule naukowym opublikowanym w periodyku Nature Physics zespół naukowców pracujących pod kierownictwem Sanfenga Wu, z wydziału fizyki na Uniwersytecie Princeton wskazuje, że nietypowe zniknięcie fluktuacji kwantowych w pobliżu przejścia stanowi zupełnie nowy rodzaj przejścia fazowego, który — jak wszystko wskazuje — jest całkowicie sprzeczne z naszą wiedzą na temat zachowań tego typu. Nic zatem dziwnego, że obserwacje spowodowały ekscytację w środowisku naukowym. Jakby nie patrzeć, mamy do czynienia z czymś, czego nikt wcześniej nie obserwował i co wymaga opracowania zupełnie nowej teorii opisującej rzeczywistość.
Czytaj także: Ten nadprzewodnik może zrewolucjonizować elektronikę, a inspiracja do jego stworzenia płynie z zaskakującego miejsca
O przejściach fazowych mówimy wtedy, gdy w danym materiale zmienia się układ tworzących go atomów. Powszechnym przykładem takiego przejścia fazowego może być topnienie lodu, czy też odparowywanie wody. Naukowcy zwracają jednak uwagę, że do takich samych przejść fazowych dochodzi także na poziomie kwantowym, gdzie np. elektrony wewnątrz danego materiału łączą się ze sobą w pary i “płyną” tymże materiałem jako nadciecz, bez absolutnie żadnego oporu.
W większości znanych nadprzewodników do takiego przejścia fazowego dochodzi w bardzo charakterystycznych warunkach, w pobliżu zera absolutnego. Stąd i bardzo ciężko skorzystać z tych unikalnych właściwości, bowiem utrzymanie odpowiednich warunków jest niezwykle trudne i kosztowne. Stąd i od dziesięcioleci naukowcy poszukują materiałów, które okazałyby się nadprzewodnikiem w temperaturze pokojowej.
Starając się zrozumieć, w jaki sposób powstaje zjawisko nadprzewodnictwa naukowcy postanowili stworzyć dwuwymiarową warstwę ditelurku wolframu, a następnie schłodzić do to temperatury 50 mK, a więc ułamka stopnia nad zerem absolutnym. W ten sposób powstał silny izolator, w którym elektrony były na tyle unieruchomione, że uniemożliwiały przewodzenie prądu. Ów izolator zamienił się jednak w nadprzewodnik natychmiast po dołożeniu dodatkowych elektronów i przyłożeniu napięcia.
Do zmiany fazy w danym materiale dochodzi na skutek kumulacji delikatnych wahań stanów termodynamicznych. W przypadku nadprzewodników dwuwymiarowych, fluktuacje takie możliwe są dzięki tzw. wirom kwantowym, czyli wirom pól magnetycznych. Co do zasady takie wiry, powyżej pewnej temperatury rozlewają się na cały materiał i tym samym uniemożliwiają przewodzenie prądu. W rzeczywistości dochodzi wtedy do przekroczenia tzw. krytycznej gęstości elektronów. Elektrony wtedy, dotychczas uwięzione w parach Coopera i umożliwiające nadprzewodnictwo zyskują na tyle dużą energię kinetyczną, że odrywają się od towarzyszących im elektronów.
Czytaj także: To jest zbyt piękne, aby było prawdziwe. Rewolucyjny nadprzewodnik to niesamowity przełom
Wszystkie dotychczasowe eksperymenty wskazywały, że wiry kwantowe znikają nagle w wyższej temperaturze lub przy silniejszym polu magnetycznym. W nowym eksperymencie naukowcy zaobserwowali coś zgoła innego. Pomimo podnoszenia temperatury i zwiększania siły pola magnetycznego, wiry kwantowe bardzo długo utrzymywały się już w fazie izolatora.
Mało tego, podczas schładzania do temperatury bliskiej zeru absolutnemu i podczas dopasowania gęstości elektronów, na pewnym etapie można dotrzeć do granicy przejścia fazowego. W tym krytycznym punkcie materiał teoretycznie powinien przeskakiwać między fazą izolatora a fazą nadprzewodnika wskutek przypadkowych fluktuacji wirów kwantowych. Okazało się jednak, że jest inaczej. Tuż poniżej punktu krytycznego, kwantowe wiry całkowicie zniknęły. Tego się nikt nie spodziewał.
Autorzy opracowania wskazują, że musi to być zupełnie nowy typ kwantowego punktu krytycznego. Nasza obecna wiedza o przejściach fazowych, nie pozwala wytłumaczyć takiego zachowania.
