dr. Jure Kokalj z metodo razvito na IJS zagotovil preboj pri raziskovanju lastnosti elektronov v kristalu
Doc. dr. Juretu Kokalju, sodelavcu Odseka za teoretično fiziko Instituta »Jožef Stefan« in asistentu za fiziko na Fakulteti za gradbeništvo in geodezijo Univerze v Ljubljani je skupaj z raziskovalci na Univerzi Princeton (ZDA) in na Univerzi v Sherbrooku (Kanada) uspel preboj pri raziskovanju lastnosti elektronov v kristalu. Izvedli so uspešni simulaciji teh elektronov z ultrahladnimi atomi na optični mreži ter z numerično obravnavo ustreznega kvantno-mehanskega modela. Dosežek je objavila prestižna znanstvena revija Science.
Že vse od odkritja visokotemperaturne superprevodnosti leta 1986 se raziskovalci po celem svetu trudijo razumeti kovinsko stanje teh materialov, ki se pojavi, ko temperaturo iz zelo nizkih vrednosti, npr. manj kot minus 150 stopinj Celzija, pri katerih je superprevodnost obstojna, zvišamo do to mere, da superprevodnost izgine. Razumevanje kovinskega stanja je namreč ključ do razumevanja visokotemperaturne superprevodnosti in s tem do koriščenja njenega velikega tehnološkega potenciala.
Ena izmed osnovnih in tudi najprej opravljenih meritev na teh materialih je meritev električne upornosti, ki pa se je presenetljivo izkazala za eno tistih količin, ki jo je najtežje razumeti. Zanimivo je, da visokotemperaturni superprevodniki, ki imajo v superprevodnem stanju upornost nič, v kovinskem stanju kažejo presenetljivo visoko upornost, mnogo višjo kot običajne kovine, npr. baker pri enaki temperaturi, in poleg tega z višanjem temperature upornost še dodatno narašča. Velika upornost seveda pomeni majhno prevodnost in zato materiale v takšnem stanju imenujemo “slabe kovine”.
Dr. Kokalj je v letu 2012 na podoktorskem izpopolnjevanju proučeval obnašanje nabojne susceptibilnosti in ob tem uspel preko matematično precej komplicirane in nepregledne izpeljave potrditi lastno domnevo, da mora biti susceptibilnost tesno povezana z električno upornostjo. Kmalu je postalo jasno, da je povezava že dolgo znana, ima zelo elegantno matematično izpeljavo in celo ime: Nernst – Einsteinova relacija. Preko nje je upornost določena z nabojno susceptibilnostjo in difuzijsko konstano. Nabojna susceptibilnost namreč določa, koliko elektronov se želi zaradi prisotnosti električne napetosti prerazporediti, difuzijska konstanta pa določa, kako hitro se lahko elektroni prerazporejajo oz. difundirajo po kristalu.
Prvi numerični rezultati dr. Kokalja so pokazali, da je obnašanje susceptibilnosti neobičajno in potrdili možnost njenega velikega vpliva na obnašanje upornosti. Na tej točki je raziskovanje za nekaj časa obstalo, a kasneje so se po svetu vendarle začele pojavljati podobne ideje, ki so k ponovnemu raziskovanju spodbudile tudi dr. Kokalja; leta 2017 je v reviji Physical Review B predstavil rezultate računalniških simulacij in poudaril pomembno vlogo susceptibilnosti za obnašanje upornosti in tudi to, da za potrditev te vloge primankuje pravih meritev.
Kmalu po tej objavi so dr. Kokalja poklicali z Univerze Princeton, ki je ena najslovitejših univerz na svetu, na njej je deloval sam Albert Einstein. Sporočili so mu, da sami imajo meritve, in ga hkrati povabili k sodelovanju pri interpretaciji le-teh. Dejstvo je bilo namreč, da so meritve raziskovalcev na Princetonu kazale podobno obnašanje kot rezultati dr. Kokalja in so bile narejene za enako vrsto materialov.
Izkazalo se je tudi, da je ravno Nernst – Einsteinova relacija omogočila meritev upornosti v prav posebnem in zanimivem eksperimentu z ultra hladnimi atomi na optični mreži. V tem eksperimentu gre v resnici za simuliranje pravega kristala ali za umetno narejen kristal. V njem vlogo atomov v kristalu prevzame stoječe valovanje laserske svetlobe, vlogo elektronov pa prevzamejo atomi v močno ohlajenem plinu. Izkaže se namreč, da podobno kot elektrone privlačijo atomi v kristalu, tudi atome v hladnem plinu privlačijo mesta s šibko ali pa močno lasersko svetlobo, torej vozli ali hrbti stoječega valovanja. Poleg tega pa se atomi v hladnem plinu lahko premikajo med vozli in hrbti in se med seboj odbijajo, kar je podobno premikanju elektronov med atomi v kristalu in njihovemu medsebojnemu odboju. Tako lahko elektrone v kristalu in ultra hladne atome v laserski svetlobi pod določenimi pogoji opišemo s praktično identičnim kvantno-mehanskim modelom.
Raziskovalcem na univerzi Princeton je prvič uspela zelo zahtevna vzpostavitev pogojev v hladnem plinu, ki ustrezajo pogojem v pravem kristalu. Nato jim je dodatno uspelo vzpostaviti neravnovesno stanje gostote plina z zunanjo motnjo in opazovali so, kako se v plinu po izključitvi motnje ponovno vzpostavlja ravnovesno stanje. S tem so izmerili difuzijsko konstanto. Preko meritve porazdelitve gostote plina po prostoru, v katerem je plin ujet, pa so določili še susceptibilnost in nato preko Nernst – Einsteinove relacije še upornost.
Glavna prednost ekperimenta na hladnih atomih je namreč nepredstavljiva kontrola nad pogoji v katerih se hladni atomi nahajajo, možnost manipulacije z atomi in meritve lege posameznih atomov. To za elektrone v kristalu ni mogoče. Potrebno je omeniti, da na Institutu »Jožef Stefan« obratuje podoben eksperiment v laboratoriju za hladne atome pod vodstvom dr. Petra Jegliča.
Nadalje so raziskovalci sistem tudi računalniško simulirali z različnimi najnaprednejšimi numeričnimi metodami za obravnavo koreliranih kvantnih sistemov in dobili dobro ujemanje z meritvami. To daje rezultatom dodatno težo in potrjuje mikroskopski opis. Ob tem je vredno omeniti dvoje: da je bilo narejenih veliko računalniških simulacij, a so se prav simulacije dr. Kokalja izkazale za najuspešnejše, in drugo, da so bile simulacije narejene z metodo, ki sta jo na Odseku za teoretično fiziko Instituta »Jožef Stefan« leta 1994 razvila prof. dr. Peter Prelovšek in dr. Janez Jaklič. Dosežek je tako veliko priznanje tako za dr. Jureta Kokalja kot za celotno delo Odseka za teoretično fiziko Instituta »Jožef Stefan« in Fakultete za gradbeništvo in geodezijo Univerze v Ljubljani.
S tem je raziskovalcem prvič uspelo z eksperimentom na hladnih atomih tako dobro poustvariti dogajanje v kristalu in odgovoriti na pereča vprašanja o elektronskih lastnostih materialov. V bodoče si tako lahko nadejamo še več takšnih dosežkov. Eden izmed glavnih naslednjih izzivov in želja raziskovalcev je uspešno simulirati, tako z eksperimentom na hladnih atomih kot tudi z numeričnimi metodami, elektrone v kristalu pri še nižjih temperaturah in s tem razumeti obnašanje kovinske faze še bližje superprevodni fazi.
Razumevanje visoko-temperaturne superprevodnosti ima namreč lahko zelo velik tehnološki potencial, saj bi pospešilo razvoj superprevodnikov, pri katerih bi bila superprevodnost obstojna do višjih temperatur. Superprevodnost namreč omogoča prenos električne energije brez izgub; z uporabo superprevodnih materialov bi lahko npr. izgube elektrike pri prenosu od elektrarn do uporabnikov bistveno zmanjšali. Trenutno se okoli dva odstotka električne energije izgubi v obliki toplote. Na leto to znese okoli 500 MWh, kar stane okoli 30 milijonov evrov. Po drugi strani s superprevodniki lahko ustvarimo zelo močne elektromagnete, pri superprevodnikih pa pride tudi do pojava levitacije oz. nekakšnega lebdenja nad magnetom. Uporaba le tega pri transportu bi močno zmanjšala izgube energije zaradi trenja med vrtečimi se deli in zaradi stika s podlago ter omogočila večje hitrosti. Superprevodnike npr. že uporabljajo pri hitrih vlakih, imenovanih MAGLEV, npr. na Japonskem. Hkrati pa bi ti materiali zaradi teh lastnosti našli še vrsto drugih uporab v tehnologiji.
Foto: IJS
