Para ilmuwan menemukan ‘singularitas’ aneh yang bertanggung jawab atas jenis superkonduktivitas eksotik

Fisikawan telah menemukan mekanisme misterius yang menyebabkan suhu tinggi superkonduktivitasdan ini dapat membantu dalam pencarian salah satu “cawan suci” fisika.

Temuan baru ini, yang dikenal sebagai superkonduktivitas berosilasi, mengidentifikasi sebuah proses yang memungkinkan material menjadi superkonduktor pada suhu yang jauh lebih tinggi dari biasanya – membuka jalan bagi penemuan material superkonduktor pada suhu ruangan yang dapat memfasilitasi transmisi energi yang hampir tanpa kehilangan energi. Para peneliti mempublikasikan temuan mereka pada 11 Juli di jurnal Surat Tinjauan Fisik.

Lire égalementSatelit menyaksikan Badai Idalia dan Franklin yang dahsyat (video)

“Salah satu cawan suci fisika adalah superkonduktivitas suhu kamar yang cukup praktis untuk aplikasi kehidupan sehari-hari,” Luiz Santosasisten profesor fisika di Universitas Emory, mengatakan dalam sebuah pernyataan. “Terobosan itu bisa mengubah bentuk peradaban.”

Terkait: Partikel ‘iblis’ aneh yang ditemukan di dalam superkonduktor dapat membantu membuka ‘cawan suci’ fisika

A lire égalementDirampas pendidikannya, gadis-gadis di Bamiyan Afghanistan mendirikan bengkel produksi kerajinan tangan

Superkonduktivitas muncul dari riak yang disebabkan oleh elektron saat bergerak melalui suatu material. Pada suhu yang cukup rendah, riak-riak ini menyebabkan inti atom tertarik satu sama lain, yang pada gilirannya menyebabkan sedikit pergeseran muatan yang menarik elektron kedua ke elektron pertama.

Kekuatan tarik-menarik ini menyebabkan sesuatu yang aneh terjadi: Alih-alih saling tolak menolak melalui gaya tolak-menolak elektrostatis, elektron malah terikat menjadi “pasangan Cooper”.

Pasangan Cooper mengikuti berbeda mekanika kuantum aturan dibandingkan dengan elektron yang kesepian. Alih-alih menumpuk satu sama lain untuk membentuk cangkang energi, mereka bertindak seperti partikel cahaya, yang jumlahnya tak terhingga dapat menempati titik yang sama di ruang angkasa pada waktu yang sama. Jika pasangan Cooper ini tercipta dalam jumlah yang cukup di seluruh material, mereka akan menjadi superfluida, mengalir tanpa kehilangan energi dari resistivitas listrik.

Superkonduktor pertama, ditemukan oleh fisikawan Belanda Heike Kamerlingh Onnes pada tahun 1911, bertransisi ke keadaan resistivitas listrik nol pada suhu dingin yang tak terbayangkan – mendekati nol mutlak (minus 459,67 derajat Fahrenheit, atau minus 273,15 derajat Celcius). Namun, pada tahun 1986, fisikawan menemukan jenis material lain, yang disebut cuprate, yang menjadi superkonduktor pada suhu yang jauh lebih hangat (namun masih sangat dingin) minus 211 F (minus 135 C).

Fisikawan berharap penemuan ini akan mengarah pada penemuan superkonduktor pada suhu kamar, yang akan membuka pintu bagi transmisi listrik yang nyaris tanpa kerugian. Namun penemuan tersebut mereda, dan klaim baru-baru ini mengenai superkonduktor suhu kamar telah berakhir skandal Dan kekecewaan.

Hingga saat ini, kegagalan menemukan superkonduktor bersuhu ruangan dan bertekanan sekitar sebagian berasal dari kurangnya pemahaman para fisikawan mengenai kondisi teoritis yang memungkinkan elektron membentuk pasangan Cooper pada suhu yang relatif tinggi (kira-kira tiga kali lebih rendah dari suhu freezer standar). suhu).

Untuk menyelidiki hal ini, para peneliti di balik studi baru ini berfokus pada bentuk superkonduktivitas suhu tinggi tertentu yang muncul ketika pasangan Cooper menyusun pola osilasi yang dikenal sebagai gelombang kepadatan muatan. Hubungan antar gelombang, sejenis tarian sinkronisasi massa antara pasangan elektron pada suatu material, memiliki hubungan kompleks dengan superkonduktivitas: Dalam beberapa keadaan, gelombang meredam efeknya, sementara dalam keadaan lain, gelombang membantu merekatkan elektron bersama-sama.

Dengan memodelkan gelombang-gelombang ini, para fisikawan menemukan bahwa kunci kemunculan gelombang-gelombang itu kemungkinan besar adalah sifat yang dikenal sebagai singularitas van Hove. Biasanya, dalam fisika, energi suatu partikel yang bergerak, secara intuitif, berkaitan dengan kecepatan perjalanannya.

Namun beberapa struktur material melanggar aturan ini, sehingga memungkinkan elektron dengan kecepatan berbeda berada pada energi yang sama. Ketika semua energi elektron sama, mereka dapat berinteraksi dan berpasangan untuk membentuk pasangan Cooper yang menari dengan lebih mudah.

“Kami menemukan bahwa struktur yang dikenal sebagai singularitas Van Hove dapat menghasilkan keadaan superkonduktivitas yang termodulasi dan berosilasi,” kata Santos. “Pekerjaan kami memberikan kerangka teoretis baru untuk memahami munculnya perilaku ini, sebuah fenomena yang tidak dipahami dengan baik.”

Para fisikawan menekankan bahwa, sejauh ini, pekerjaan mereka murni teoretis, yang berarti diperlukan lebih banyak upaya eksperimental untuk menyempurnakan mekanisme yang mendasarinya. Namun, mereka berharap dengan membangun landasan antara singularitas van Hove dan gelombang menari, mereka dapat menemukan hubungan yang dapat dibangun oleh fisikawan lain.

“Saya ragu Kamerlingh Onnes memikirkan tentang levitasi atau akselerator partikel ketika dia menemukan superkonduktivitas,” kata Santos. “Tetapi segala sesuatu yang kita pelajari tentang dunia mempunyai potensi penerapannya.”