Wigneres kutatócsoport eredményei különleges szupravezető anyagokról a Science Advances folyóiratban

szerda, 2015, április 22

Egy fullerénekre alapozott új, teljes anyagcsalád különleges vezetési és szupravezetési tulajdonságait mutatja be az a közlemény, amit a Science Advances, a Science család legújabb online folyóirata közölt „Optimizált nem-konvencionális szupravezetés egy molekuláris Jahn--Teller--fémben” címmel, Klupp Gyöngyi, Matus Péter és Kamarás Katalin társszerzőségével.

A szupravezetés, az elektromos áram ellenállás nélküli terjedése, nemcsak gyakorlati jelentősége okán élvez kivételezett szerepet a szilárdtestfizikában, hanem azért is, mert a jelenség részletes, kielégítő magyarázata a mai napig nem született meg. Köszönhető ez annak is, hogy egyre újabb anyagcsaládok mutatnak szupravezetést: az egyszerű fémek (Hg, Nb, stb.) után az oxid alapú kuprátokat, majd az ún. könnyű elemekből álló (szén és kisebb atomszámú fématomok, vagy szerves anyagok) nem-konvencionális szupravezetőket fedezték fel. Az egyre komplexebb szerkezetekben egyre többféle kölcsönhatás, ennek megfelelően többfajta szupravezetési mechanizmus is elképzelhető.

A szénalapú szupravezetők különleges családja a fulleridsóké, amelyek a focilabda alakú C60 molekula alkálifémekkel képzett ionos vegyületei. Az alkálifémek elektront adnak át a fullerénmolekulának, amely így molekulaionná alakul. Attól függően, hogy az elektronok a "labdák" felületén maradnak, vagy a teljes kristályban "elektrongázként" vándorolnak, lehet az anyag szigetelő vagy fémes vezető. Szemben az egyszerű fémekkel, itt a két szélső állapot közötti átmenetek is előfordulhatnak. Ezek különleges vezetési és mágneses tulajdonságokkal járnak már a normál állapotban is, a szupravezető jelleg pedig nem ismert ilyen feltételek között.

A legtöbb ilyen, ún. korrelált elektronrendszerrel rendelkező anyagban a fém-félvezető átalakulás a kristályszerkezet változásával is jár, ami megnehezíti a szerkezet és az elektronrendszer vezetési tulajdonságokra való hatásának elkülönítését. Kosmas Prassides és munkatársai olyan, fulleridionokból és alkálifém-ionokból (rubidium és cézium) álló anyagcsaládot állítottak elő, amelynek minden tagja azonos kristályszerkezetet mutat, de a rubidium/cézium arány változtatásával a rácsállandó folyamatosan változik. A céziumion mérete nagyobb a rubidiuménál, így a két szélső esetben a két tiszta elektronszerkezet valósul meg: ha a fulleridionok távolsága nagy (Cs3C60), szigetelő, ha kicsi (Rb3C60), fémes állapotot kapunk. További játékra ad lehetőséget, ha az anyagokat lehűtjük, és ezzel a rácsállandót csökkentjük, így is eljuthatunk a szigetelőből a fémes helyzetbe, a közbenső állapot, az ún. Jahn-Teller-fém érintésével. Egy bizonyos hőmérséklet alatt, ami az összetételtől függ, pedig kialakul a szupravezető állapot. A cikkben közölt adatok arra mutatnak, hogy a legmagasabb átmeneti hőmérsékletű összetételekhez különleges szupravezetési mechanizmus is tartozik.

A szupravezető fulleridek fázisdiagramja a megfigyelt különböző elektromos viselkedésű fázisokkal.

A magyar részvétel az infravörös spektroszkópiára épül, amellyel egyszerre tanulmányozható a vezetési elektronok dinamikája, valamint a rácspontokban elhelyezkedő molekulák rezgései. Mivel a rezgéseket befolyásolja a molekulákon levő elektronok lokalizációja, a spektrumokból lényeges következtetések vonhatók le az anyagok fémes vagy szigetelő tulajdonságaira nézve. A két állapot közti átmenetet pedig igen érzékenyen jelzi a módszer.

Az elektronok fulleridionok közötti vándorlása a fémes, Jahn-Teller-fémes és szigetelő fázisban, valamint az ezen fázisokra jellemző infravörös spektroszkópiai jel.

A komplex spektroszkópiai vizsgálat, amelyet teljes egészében a Wigner Fizikai Kutatóközpontban végeztek, egy hosszabb együttműködés része a Wigner FK, a durhami és a liverpooli egyetemek kutatócsoportjai között. A korábbi közös eredményeknek és az eredményes munkakapcsolatnak is szerepe volt abban, hogy Klupp Gyöngyi elnyerte a Royal Society nagy presztizsű Newton Nemzetközi Ösztöndíját , amelynek keretében jelenleg Durhamben (Egyesült Királyság) végez kutatómunkát.  A most megjelent publikáció ezen kívül egy szlovén és két japán kutatócsoport, valamint két szinkrotron (ESRF, Grenoble és SPRING-8, Japán) közreműködésével készült. A fény évéhez kapcsolódóan különlegessége az együttműködésnek, hogy az elektromágneses spektrum szinte teljes tartományát kihasználva (az igen alacsony magmágneses rezonancia-frekvenciáktól az infravörösön át a nagyfrekvenciás röntgensugárzásig) nyerhető információ az anyagcsalád molekula- és elektronszerkezetéről.

hírkategória: