Fiziķi atšķetina noslēpumaino fāžu pāreju

Drīz atrisināta 20 gadus veca problēma?

Izmantojot šīs kartes, fiziķi meklē slēpto secību: zemāk esošajā attēlā parādīta urāna, rutēnija un silīcija parauga topogrāfija. Augšējais attēls tika uzņemts ar spektroskopisku attēlveidošanas skenēšanas tunelēšanas mikroskopu, un tas parāda, kā elektroniskie stāvokļi tiek sadalīti uz 40 nanometru kvadrātiskās virsmas. © Peter Wahl / MPI par cietvielu pētījumiem
lasīt skaļi

Fāžu pārejas, piemēram, ūdens sasalšana uz ledus, ir viena no ikdienas dzīves parādībām. Parasti cilvēks zina, kas notiek fāzes pārejas laikā ar atomiem vai molekulām. Bet ir viens izņēmums. Urāna, rutēnija un silīcija savienojuma noslēpumainā fāzes pāreja fiziķus satrauc jau 20 gadus. Bet tagad starptautiska zinātnieku komanda ir spērusi izšķirošu soli tālāk šīs parādības izpētē. Pētnieki savus rezultātus prezentē žurnālā "Daba".

Urāna savienojums URu2Si2 pieder to materiālu klasei, kurus fiziķi noslēpj: tā sauktajiem smago metālu materiāliem. Viņiem ir vārds no īpaši smagiem lādiņnesējiem, kas to iekšienē pieder fermionu daļiņu klasei. Šajos materiālos esošie elektroni un citi lādiņu nesēji pārvietojas tā, it kā tie sver līdz 1000 reižu vairāk nekā brīvais elektrons. Principā pētnieki uzskata, ka šī parādība ir saprotama: lādiņu nesēji sasniedz ārkārtēju svaru, mijiedarbojoties ar apkārtni, līdzīgi kā karote, kas, liekot caur medu, šķiet smagāka.

Fenomena supravadītspēja

Tomēr smagajiem feromagnētiskajiem materiāliem ir arī vairākas īpašības, kuras nevar izskaidrot ar parasto cietvielu teoriju. Piemēram, daži no tiem kļūst supravadoši ļoti zemā temperatūrā, kas pats par sevi nav nekas neparasts. Tomēr supravadītāja stāvoklī daži smago vielu materiāli izstaro arī magnētiskos stāvokļus, līdzīgi kā dzelzs gabals, kas magnetizēts magnētiskajā laukā. Supravadītspēja un magnētisms parastā supravadītspējas teorijā tiek uzskatīti par savstarpēji izslēdzošām materiāla īpašībām, tāpēc to līdzāspastāvēšana nav iespējama.

Līdzīgi mīklains ir urāna savienojuma URu2Si2 fāzes pāreja 17, 5 Kelvina temperatūrā - ap mīnus 255 grādiem pēc Celsija -, kas tika atklāta pirms aptuveni 20 gadiem. Šajā temperatūrā materiāls izdala entropiju, tas ir, tā iekšējā stāvokļa traucējumu pakāpe kļūst mazāka, līdzīgi kā sasalšanas ūdenim, pārejot no brīvi pārvietojamām ūdens molekulām uz molekulām, kas ir stingri saistītas ar regulāru kristāla režģi ledū.

Tuvojas mīklas risinājums

Fiziķi vispirms pieņēma, ka urāna savienojuma magnētiskā secība palielinās, līdzīgi kā metāls nokrītas zem noteiktas temperatūras. Metālā sīkos elementāros magnētus, proti, magnētiskos momentus, kas saistīti ar atomiem un elektroniem, izlīdzina paralēli vai antiparalēli, tāpat kā karavīri režģī. Tomēr magnētisko momentu mērījumi ar neitronu stariem parādīja, ka URu2Si2 tas tā nav. Citu skaidrojumu trūkuma dēļ tika pieņemts, ka ir izveidota tāda magnētiskās kārtības forma, kuru nevar noteikt ar parastajām metodēm. Tomēr līdz šim skaidrojumi joprojām ir tikai spekulācijas. displejs

Tagad Ņujorkas Kornela universitātes fiziķa JC S amus Davis pētnieki ir izslēguši veselu virkni skaidrojumu, sperot lielu soli mīklas risināšanā. nāc tuvāk. Mērījumos noderēja fiziķis Pīters Vāls no Maksa Planka Cietvielu stāvokļa izpētes institūta Štutgartē. Izmantojot Deivisa spektroskopisko attēlveidošanas skenēšanas tunelēšanas mikroskopiju, ar atomu precizitāti var attēlot virsmas elektronu blīvumu. No tā var aprēķināt, cik liels uzlādes nesēju blīvums ir uz virsmas.

Esošā cietvielu teorija ir jāpaplašina

Daudzi paslēpto secību paskaidrojošie modeļi fāžu pārejā balstās uz ideju, ka lādiņnesēju blīvums veido viļņveidīgu modeli, tiklīdz materiāla temperatūra ir 17, 5 Kelvina zemāk. Lai varētu pārbaudīt šo pieņēmumu, pētnieki tagad ir izmantojuši skenējošo tunelēšanas mikroskopu, lai ierakstītu sava veida lādiņa nesēja blīvuma karti, kurā parādīta materiāla virsmas sadaļa, kas satur apmēram 10 000 atomu.

Tomēr mikroskopam jāspēj darboties pastāvīgos apstākļos līdz simts stundām. Jo tikai tad var skenēt ne tikai vienu punktu, bet visu zonu pa vienam punktam, un tas notiek dažādās temperatūrās. Tādējādi izmaiņas elektroniskajos stāvokļos var novērot, kad temperatūra nokrītas zem 17, 5 Kelvina. Šāda veida mērījumiem mikroskopam nepieciešama ārkārtīgi klusa un bez vibrācijas esoša vide, ko var piedāvāt tikai optimizētas īpašas laboratorijas. Apmēram Deivisa pētnieki daudzu gadu darba laikā ir radījuši tehniskos priekšnoteikumus tam.

Nav lādiņa blīvuma svārstību

Mērījumi parādīja, ka paredzamās lādiņa blīvuma svārstības nepastāv. "Mēs esam izslēguši lielu skaidrojošo modeļu klasi, " saka Vāls. "Pašreizējā cietvielu teorijā ir salīdzinoši maz iespējamo skaidrojumu, " saka fiziķis. Tāpēc viņš rezultātu vērtē kā norādi, ka cietvielu teorija ir jāpaplašina, lai izskaidrotu slēpto kārtību. Citas neparastas parādības smago metālu materiālos, iespējams, izskaidrojamas tikai ar izvērstu teoriju. "Tas ir viens no aizraujošākajiem jautājumiem cietvielu fizikā, " saka Vāls.

Lai atbildētu uz šiem jautājumiem, Vāls ir izveidojis divus skenējošos tuneļu mikroskopus Štutgartes Maksas Planka institūtā, kas piedāvā salīdzināmas iespējas ar Kornellas universitātes iespējām. Kopā ar savu četrgalvu pētījumu grupu viņš tuvāko gadu laikā plāno izpētīt smago vielu materiālus, kā arī citus tā sauktos stingri savstarpēji saistītos elektronu materiālus. Tie ir materiāli, kuru elektroni mijiedarbojas īpaši spēcīgi savā starpā.

Kā darbojas augstas temperatūras supravadītspēja?

Rezultāti varētu ieinteresēt ekspertus ne tikai cieto teorijas pamatjautājumu dēļ. Galu galā "augstspiediena supravadītāji" ir līdzīgi "augsta blīvuma" materiāliem, saka Vāls. "Ja mēs tos saprotam, mēs varbūt saprotam arī to, kā darbojas augstas temperatūras supravadītspēja." Fiziķi cer, ka augstas temperatūras supravadītspējas teorētisks skaidrojums varētu radīt materiālus, kas vada elektrību normālā apkārtējās vides temperatūrā bez pretestības.

Vairāk par šo tēmu

Magnētisms un supravadītspēja

(MPG, 16.06.2010. - DLO)