211service.com
Jak metamateriały mogą być kluczem do nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego?
Metamateriały to jeden z cudów współczesnej fizyki. Wykonane przy użyciu powtarzających się wzorów 3D komponentów elektronicznych, takich jak kondensatory i rezystory, metamateriały oddziałują z falami świetlnymi, sterując nimi w sposób, który jest niemożliwy w przypadku zwykłych materiałów. Rezultat: więcej pelerynek-niewidek, niż można potrząsnąć różdżką.
Ale nie ma tu żadnej magii. Ogólna teoria, która to wyjaśnia, jest znana jako optyka transformacyjna. A stojąca za tym matematyka jest formalnie analogiczna do równań opisujących, w jaki sposób masa zakrzywia czasoprzestrzeń, generując grawitację. Właśnie dlatego fizycy byli w stanie użyć metamateriału do symulacji sposobu, w jaki czarna dziura zatrzymuje światło.
Teraz Igor Smolyaninov i Vera Smolyaninova z University of Maryland w College Park twierdzą, że metamateriały mogą być formalnie powiązane z inną dziedziną fizyki: nadprzewodnictwem. W szczególności twierdzą, że nadprzewodniki mogą być specjalną formą metamateriału, który steruje elektronami zamiast światła. To rodzi kuszącą możliwość, że sekret nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego może leżeć w opracowaniu nowej generacji metamateriałów, które będą dalej wykorzystywać tę ideę.
Najpierw trochę tła. Nadprzewodnictwo to zjawisko zerowej rezystancji w materiałach schłodzonych poniżej pewnej temperatury krytycznej. Nadprzewodniki wyrzucają również pola magnetyczne, zjawisko znane jako efekt Meissnera.
Przez wiele lat po odkryciu nadprzewodnictwa w 1911 roku fizycy zastanawiali się, jak ono powstało. Następnie, w 1957 roku, John Bardeen, Leon Cooper i John Schrieffer rozwiązali problem, korzystając z tak zwanej teorii BCS.
Ich pomysł polega na tym, że w niskich temperaturach elektrony podwajają się, tworząc pary Coopera, które razem przechodzą przez sieć materiału. Robią to z zerowym oporem, wymieniając fonony – kwantowe cząstki wibracji – z siecią.
W efekcie pary miedziane są przemiatane przez sieć przez te fonony, które oczyszczają drogę z przeszkód, takich jak inne elektrony. Dlatego nie ma oporu.
Ta umiejętność kierowania elektronami może wydawać się znajoma. Rzeczywiście, Smolaninow i Smolaninowa twierdzą, że nadprzewodniki wysokotemperaturowe, takie jak BSCCO (tlenki bizmutu i wapnia, strontu i miedzi, które nadprzewodzą w temperaturze ponad 100 K) mają formalne podobieństwo do metamateriałów, które fizycy już zbudowali do sterowania światłem.
Dzieje się tak, ponieważ składają się z warstw atomów o właściwościach metalicznych przedzielonych warstwami atomów o właściwościach dielektrycznych (patrz schemat). W efekcie są ostatecznymi metamateriałami skonstruowanymi w skali atomowej.
To rodzi fascynującą perspektywę, że pewnego dnia fizycy mogą samodzielnie skonstruować nadprzewodnikowe metamateriały. A dzięki lepszemu zrozumieniu, w jaki sposób te warstwy sterują elektronami przy zerowej rezystancji, możliwe będzie nawet wytworzenie materiałów nadprzewodzących w wyższych temperaturach niż jest to możliwe dzisiaj. Twierdzą, że podejście metamateriałowe do inżynierii odpowiedzi dielektrycznej może znacznie zwiększyć temperaturę krytyczną kompozytowego metamateriału nadprzewodnik-dielektryk.
Czy słyszymy temperaturę pokojową? Może jeszcze nie. To tylko pomysł na chwilę obecną, a przed nami wiele istotnych wyzwań. Pierwszym z nich jest znalezienie sposobu na zaprojektowanie nadprzewodzącego metamateriału i przewidzenie jego właściwości nadprzewodzących. Potem nadeszło znaczące wyzwanie, jakim było zsyntetyzowanie go.
Oba te wyczyny wydają się być odległe. Niemniej jednak nauka o metamateriałach ewoluowała szybko. W ciągu zaledwie dziesięciu lat przeszła od fantastyki do tworzenia działających pelerynek-niewidek, sztucznych czarnych dziur, a nawet syntetycznych wszechświatów.
Dlatego tylko głupiec obstawiałby, że nadprzewodnictwo nie będzie kolejnym nacięciem na słupie łóżka z metamateriału.
Nr ref.: arxiv.org/abs/1311.3277 : Czy istnieje droga metamateriału do nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego?