Nadprzewodniki
wysokotemperaturowe
pod mikroskopem
Najnowsze doĘwiadczenia wykorzystujące subtelne efekty kwantowe dostarczają
waŻnych informacji o nadprzewodnictwie niektórych materia"ów ceramicznych
John R. Kirtley i Chang C. Tsuei
edno z najbardziej niezwyk"ych spo- nem, a napi´cie odczuwa"o si´ do ostat- które sÄ… metalicznymi pierwiastkami al-
tkał
fizyków odby"o si´ 18 marca niej chwili. bo stopami. Wkrótce pojawi"y si´ licz-
J
1987 roku podczas posiedzenia Powodem tego naukowego szaleł
- ne doniesienia o temperaturze krytycz-
American Physical Society. Pospiesznie stwa by"o odkrycie wysokotemperatu- nej wyŻszej niŻ 90 K, a zamieszanie
zorganizowana, obfitujÄ…ca w doniesie- rowego nadprzewodnictwa. Pod koniec wywo"a"y komunikaty o nadprzewod-
nia zg"oszone juÅ» po terminie, konferen- 1986 roku J. Georg Bednorz i K. Alexan- nictwie w temperaturze 130 i 240 K.
cja zgromadzi"a w hotelu Hilton w No- der Müller z Laboratorium Badawcze- Gdyby odkryto substancj´ nadprzewo-
wym Jorku 2 tys. uczestników. St"oczeni go IBM w Zurychu stwierdzili, Że cera- dzącą w temperaturze bliskiej pokojo-
w sali balowej i przyleg"ym holu usi"o- miczna substancja  tlenek miedzio- wej (oko"o 300 K), by"by to prawdopo-
wali wys"uchaç pi´ciominutowych wy- wo-barowo-lantanowy  traci opór elek- dobnie poczÄ…tek prawdziwej rewolucji
stąpieł
o najnowszych koncepcjach i ba- tryczny w temperaturze  238°C, czyli technicznej we wspó"czesnym Ęwiecie.
daniach oraz sami zabraç g"os. Spo- 35 K. Ta bardzo juÅ» niska temperatura Podczas tego marcowego spotkania fi-
tkanie, które zyska"o miano Woodstock jest jednak o ponad 10 stopni wyÅ»sza zycy przedstawili prace poĘwi´cone teo-
fizyki, rozpocz´"o si´ o wpó" do ósmej niÅ» w przypadku najlepszych znanych rii nowych nadprzewodników i wyko-
wieczorem i trwa"o do trzeciej nad ra- nadprzewodników konwencjonalnych, nanym doĘwiadczeniom. Jego szalona
50 ÂWIAT NAUKI PaÄ™dziernik 1996
CLIFFORD A. PICKOVER
IBM Research
STRUMIEÄ„ MAGNETYCZNY przenika przez trzy granice ziaren krystalicz-
nych cienkiej warstwy nadprzewodnika (na stronie obok). ObecnoĘç tzw. po-
"ówkowego kwantu strumienia wskazuje na g"´bokie fizyczne podstawy nad-
przewodnictwa wysokotemperaturowego, dzi´ki któremu zostanÄ… moÅ»e kiedyĘ
skonstruowane lewitujÄ…ce pociÄ…gi. Fotografia po prawej stronie ukazuje ma-
gnes unoszÄ…cy si´ nad nadprzewodnikiem, który zawiera itr.
atmosfera by"a spowodowana nie tylko i J. Robert Schrieffer  wyja-
marzeniami o nadprzewodnictwie w Ęnili to zjawisko. Teoria BCS,
temperaturze pokojowej, ale takÅ»e stra- nazwana tak na ich czeĘç,
chem. Niektórzy bali si´, Å»e nowe mate- g"osi, Å»e elektrony w kon-
ria"y, cz´sto zwane miedzianami, zosta- wencjonalnym nadprzewod-
nÄ… zbadane, zanim oni wniosÄ… swój niku przezwyci´Å»ajÄ… odpy-
osobisty znaczÄ…cy wk"ad. Poza tym za chanie na dwa sposoby. Po
badania w dziedzinie nadprzewodnic- pierwsze, ich "adunek jest
twa przyznano jak dotÄ…d najwi´cej Na- cz´Ä˜ciowo neutralizowany
gród Nobla  pi´ç. Prawid"owa teoria no- wskutek  ekranowania wy-
wych nadprzewodników z pewnoĘcią wo"anego ruchem innych
równieÅ» tak zostanie uhonorowana. elektronów, dzi´ki czemu
DziĘ juŻ wiadomo, Że nie by"o powo- maleje si"a oddzia"ywania.
dów do zmartwienia. W ciągu ostatnich Po drugie  i to jest waŻniej-
9 lat tysiące badaczy na ca"ym Ęwiecie sze  istnieją poĘrednicy,
poĘwi´ci"o miliony godzin, poszukujÄ…c którzy "Ä…czÄ… odpychajÄ…ce si´ elektrony. wówczas struktura materia"u by"aby tak
odpowiedzi na pytanie, dlaczego i jak Tymi swatami sÄ… dodatnio na"adowa- zdeformowana, Å»e nie móg"by on byç
miedziany nadprzewodzą w tak wyso- ne jony atomów tworzących nadprze- nadprzewodnikiem, a nawet zwyk"ym
kiej temperaturze. Mimo znacznego po- wodnik. (Oboj´tne atomy stajÄ… si´ do- przewodnikiem.
st´pu oba pytania wciÄ…Å» pozostajÄ… bez datnimi jonami, gdy oderwÄ… si´ od nich Co wi´cej, teoria BCS zak"ada, Å»e
odpowiedzi. Dzi´ki wykonanym ostat- elektrony przewodzÄ…ce prÄ…d.) Porusza- energia elektronów jest duÅ»o wi´ksza
nio doĘwiadczeniom wykazano, Å»e jÄ…cy si´ elektron moÅ»e nieznacznie prze- niÅ» energia fononów. Elektrony poru-
zwiÄ…zki te róŻniÄ… si´ istotnie od tradycyj- sunÄ…ç napotkany po drodze jon. Dzi´- szajÄ… si´ znacznie szybciej niÅ» fonony,
nych nadprzewodników, i okreĘlono ki takim odkszta"ceniom, czyli fononom, elektron zatem oddala si´ na duŻą odle-
kierunki badał
teoretycznych. Okaza- tworzÄ… si´ ma"e obszary o nadmiarze g"oĘç od przesuni´tego jonu, zanim do-
"o si´, Å»e jeden z postulowanych mecha- dodatniego "adunku, który przyciÄ…ga trze tam drugi elektron. Ta duÅ»a odle-
nizmów  fluktuacje magnetyczne inne elektrony. AnalogiÄ… moÅ»e byç za- g"oĘç mi´dzy elektronami zmniejsza si"´
w atomach tworzÄ…cych przewodzÄ…cy chowanie kul bilardowych na matera- wzajemnego odpychania. W nadprze-
oĘrodek  jest wielce prawdopodobny. cu: jedna kula wgniata materac, co po- wodzących ceramikach elektrony i fo-
woduje zbliÅ»anie si´ drugiej. nony poruszajÄ… si´ jednak z porówny-
Przewodzenie a pary Coopera Na tym jednak podobieł
stwo si´ koÅ‚
- walnÄ… pr´dkoĘciÄ… i odleg"oĘç mi´dzy
czy, bo elektronowe kule bilardowe sil- elektronami tworzÄ…cymi par´ nie moÅ»e
PoglÄ…d, Å»e sednem sprawy moÅ»e byç nie si´ odpychajÄ…. LepszÄ… analogi´ poda" byç duÅ»a. (Mówimy tu o elektronach ja-
magnetyzm, jest sprzeczny z dobrze Bardeen. WyobraÄ™my sobie t"um prze- ko noĘnikach prÄ…du, choç naprawd´
ugruntowanym zrozumieniem w"aĘci- pychajÄ…cych si´ ludzi st"oczonych na w wi´kszoĘci miedzianów prÄ…d prze-
woĘci konwencjonalnych niskotempe- p"ycie stadionu. Par´ Coopera moÅ»emy wodzÄ…  dziury , czyli czÄ…stki dodatnio
raturowych nadprzewodników. Takie przedstawiç jako dwie osoby rozpacz- na"adowane. Dziury powstajÄ…, gdy ma-
nadprzewodnictwo pojawia si´ wtedy, liwie starajÄ…ce si´ trzymaç razem. Gdy teria" jest domieszkowany atomami
gdy elektrony "Ä…czÄ… si´ w tzw. pary Coo- t"um zaczyna si´ przesuwaç, trudno nad  wysysajÄ…cymi cz´Ä˜ç elektronów. W
pera (od nazwiska fizyka Leona N. Coo- nim zapanowaç, zatrzymanie bowiem dalszej cz´Ä˜ci artyku"u, mówiÄ…c o pa-
pera, który pracujÄ…c w University of jednej osoby wymaga zatrzymania wie- rach Coopera, b´dziemy pos"ugiwaç si´
Illinois, pierwszy opisa" w"aĘciwoĘci ta- lu innych. Ma"e przeszkody nieznacz- poj´ciem  noĘnik zamiast  elektron .)
kich tworów). Pary Coopera, w odróŻ- nie wp"ywajÄ… na ruchy poszczególnych Ze wzgl´du na trudnoĘci w opisie
nieniu od pojedynczych elektronów, nie ludzi w t"umie. nadprzewodnictwa wysokotemperatu-
zderzajÄ… si´ ze sobÄ… i nie sÄ… rozpraszane Fizycy powiadajÄ…, Å»e elektrony "Ä…- rowego z udzia"em fononów próbowa-
przez defekty oĘrodka przewodzÄ…cego czÄ… si´ w pary, wymieniajÄ…c mi´dzy so- no zastÄ…piç je innymi poĘrednikami 
prÄ…d. Dzi´ki temu moÅ»liwy jest prze- bÄ… fonony, tak jak p´dzÄ…cy do bramki  pi"kami rzucanymi przez  graczy
p"yw prÄ…du bez oporu. PrÄ…d elektrycz- rugbiĘci podajÄ… sobie pi"k´. W ramach w rugby . Zamiast fononów propono-
ny w nadprzewodniku p"ynie bez przy- teorii BCS nadprzewodnictwo konwen- wano ekscytony, które mia"yby poru-
"oÅ»onego napi´cia, a jeĘli obwód ma cjonalne da si´ doskonale wyt"umaczyç szaç otaczajÄ…cÄ… je chmur´ "adunku, pla-
kszta"t p´tli  b´dzie p"ynÄ…ç zawsze, mechanizmem tworzenia si´ par z zmony  kolektywne wzbudzenia
a wi´c dopóty, dopóki temperatura nad- udzia"em fononów. noĘników prÄ…du, i polarony, w których
przewodnika nie wzroĘnie do tempera- Badacze są jednak przekonani, Że powstają znaczne odkszta"cenia sie-
tury krytycznej. w ten sposób nie moÅ»na wyjaĘniç nad- ci krystalicznej i zaburzenia ruchu in-
To niezwyk"e, Å»e elektrony w meta- przewodnictwa w materia"ach ceramicz- nych noĘników. Pojawi"y si´ teÅ» mode-
lu mogÄ… "Ä…czyç si´ w pary, chociaÅ» jako nych. Aby teoria BCS opisywa"a nad- le traktujÄ…ce kaÅ»dy "adunek jak dwie
ujemnie na"adowane zazwyczaj si´ od- przewodnik o wysokiej temperaturze czÄ…stki, które mogÄ… przeskakiwaç mi´-
pychajÄ…. W latach pi´çdziesiÄ…tych Coo- krytycznej, sprz´Å»enie elektronów z fo- dzy p"aszczyznami atomów tworzÄ…cych
per oraz jego koledzy  John Bardeen nonami musi byç bardzo silne. Jednak nadprzewodnik.
ÂWIAT NAUKI PaÄ™dziernik 1996 51
IBM RESEARCH
DWA TYPY SYMETRII funkcji falowej sta- Wielu fizyków sądzi"o, Że symetria
SYMETRIA TYPU S
nu nadprzewodzÄ…cego: s i d. W przypadku
stanu nadprzewodzącego moŻe roz-
funkcji typu s jeden z partnerów w parze
strzygaç o s"usznoĘci danej teorii. Ale
Coopera znajduje si´ w sferycznym otocze-
sprawa nie jest tak prosta, teoretycy bo-
niu drugiego. W przypadku funkcji o syme-
wiem odkryli w ciÄ…gu ostatnich paru lat,
trii d obszar ten przybiera kszta"t przy-
Å»e róŻne mechanizmy mogÄ… prowadziç
pominajÄ…cy czterolistnÄ… koniczyn´, której
dwa listki majÄ… znak ujemny (niebieski),
do identycznej symetrii. OkreĘlenie za-
a dwa pozosta"e dodatni (Żó"to-czerwony).
tem symetrii nie przesÄ…dza jeszcze o od-
rzuceniu mechanizmu. Mówiąc dok"ad-
czyli typu s. Oznacza to, Że znalezienie niej, doĘwiadczalne okreĘlenie symetrii
jednego z noĘników tworzÄ…cych par´ pozwoli"oby teoretykom udoskonaliç
Coopera w zadanej odleg"oĘci od dru- proponowane teorie. Na przyk"ad wy-
giego maleje (wyk"adniczo) jednakowo kazanie, Że stan nadprzewodzący nie
we wszystkich kierunkach. GdybyĘmy ma symetrii d, wyeliminowa"oby mo-
wykreĘlili funkcj´ falowÄ…, traktujÄ…c je- del fal spinowych.
den z noĘników jako początek uk"adu
wspó"rz´dnych, wówczas powierzch- Âlady fal o symetrii d
nia opisująca zadane prawdopodobieł
-
stwo znalezienia drugiego noĘnika mia- Jedną z w"aĘciwoĘci fal d, którą moŻ-
SYMETRIA TYPU D
"aby kszta"t sfery. na badaç doĘwiadczalnie, jest s"absze
W przypadku miedzianów kolejnym związanie par Coopera w pewnych
stanem o wysokiej symetrii jest syme- (okreĘlonych przez struktur´ krystalo-
tria typu d. Wykres funkcji falowej te- graficznÄ…) kierunkach niÅ» w innych. Je-
go stanu przypomina leŻącą na p"asz- Ęli tak jest w istocie, to naleŻy spodzie-
czyÄ™nie czterolistnÄ… koniczyn´. KaÅ»dy waç si´ obecnoĘci pojedynczych noĘni-
listek oznacza obszar, w którym moÅ»e ków poruszajÄ…cych si´ w niektórych kie-
znajdowaç si´ jeden ze sk"adników pa- runkach. Przeprowadzono wiele ekspe-
ry Coopera, podczas gdy drugi zajmu- rymentów mających na celu wykrycie
je po"oÅ»enie centralne. Symetria typu d tych "adunków. Sprawdzano, jak g"´bo-
oznacza teŻ, Że partnerzy w parze Coo- ko pole magnetyczne wnika do nad-
pera nie sÄ… tak blisko siebie, aby ich wza- przewodnika i jak wiele ciep"a potrze-
jemne odpychanie by"o znacznie silniej- ba, aby zwi´kszyç temperatur´ materia-
sze niŻ przyciąganie. "u. W ogólnoĘci wyniki doĘwiadczeł
po-
W jaki sposób okreĘlenie symetrii sta- twierdzajÄ… obecnoĘç nie sparowanych
nu nadprzewodzÄ…cego moÅ»e u"atwiç noĘników w niskiej temperaturze, ale
Struktura krystalograficzna miedzia- odkrycie mechanizmu odpowiedzialne- nie przekonujÄ… wi´kszoĘci fizyków. Te-
nów jest niestety bardzo skomplikowa- go za tworzenie par Coopera? Okazuje sty te nie by"y bowiem bezpoĘrednie,
na. Ich komórka elementarna sk"ada si´ si´, Å»e proponowane mechanizmy pro- a wyniki cz´sto dawa"o si´ wyjaĘniç za
z kilku warstw atomów izolujących wadzą do róŻnej symetrii. Kilka lat te- pomocą stanów o innej symetrii (w tym
p"aszczyzny miedziowo-tlenowe, stano- mu wi´kszoĘç teoretyków dzieli"a si´, równieÅ» zmodyfikowanych stanów s).
wiÄ…ce zasadniczÄ… cz´Ä˜ç obszaru przewo- z grubsza rzecz biorÄ…c, na dwie grupy. Niektórzy fizycy wi´c, zamiast po-
dzÄ…cego. Nie wymyĘlono Å»adnego spo- Jedni opowiadali si´ za mechanizmami szukiwaç pojedynczych noĘników, pró-
sobu rozróŻnienia mechanizmów two- prowadzÄ…cymi do symetrii typu s; bowali wyznaczyç kÄ…towÄ… zaleÅ»noĘç si-
rzenia si´ par noĘników ani nawet nie w przewaÅ»ajÄ…cej mierze ich teorie by"y "y wiąŻącej par´ Coopera. Pomiary te
uzgodniono koncepcji takiego testu. próbą modyfikacji teorii BCS odwo"u- polega"y na okreĘleniu, jak promienio-
OsiÄ…gni´to jednak post´p w zakresie co jÄ…cej si´ do wymiany fononów. Inni ba- wanie o duÅ»ej energii wyrywa noĘniki
najmniej jednej fundamentalnej cechy dali procesy prowadzÄ…ce do symetrii ty- z nadprzewodnika, jak zmienia si´ d"u-
stanu nadprzewodzÄ…cego  symetrii, któ- pu d, co wymaga"o istotnych zmian goĘç fali Ęwietlnej przenikajÄ…cej nadprze-
ra moÅ»e okazaç si´ papierkiem lakmu- podstawowych koncepcji stanu nad- wodnik i jak elektrony tunelujÄ… z innych
sowym testu wyjaĘniającego, w jaki spo- przewodzącego. materia"ów do nadprzewodnika przez
sób noĘniki "Ä…czÄ… si´ w pary. SpoĘród teorii prowadzÄ…cych do sy- cienkÄ… izolujÄ…cÄ… barier´.
metrii typu d najwi´kszÄ… chyba popu- Badania te wykaza"y istnienie zaleÅ»-
Symetria funkcji falowej larnoĘç zdoby"a ta, która odwo"uje si´ do noĘci si"y sprz´Å»enia pary od kÄ…ta, a mi-
modelu fal spinowych. Jej g"ównymi mo to nie mog"y byç dowodem istnie-
Chodzi tu o symetri´ obecnÄ… w mate- twórcami sÄ… Douglas J. Scalapino z Uni- nia stanów o symetrii d. SÄ…siadujÄ…ce ze
matycznym opisie stanu nadprzewodzÄ…- versity of California w Santa Barbara sobÄ… listki funkcji typu d róŻniÄ… si´ zna-
cego, czyli w funkcji falowej nadprze- i David Pines z University of Illinois. We- kiem: w obszarze dwóch z nich funkcja
wodnika. Funkcja ta okreĘla m.in., jak d"ug tej teorii poruszajÄ…cy si´ "adunek jest dodatnia, a pozosta"ych dwóch 
poruszajÄ… si´ wzgl´dem siebie dwa no- wp"ywa na orientacj´ spinu atomów two- ujemna. Przeprowadzane testy nie by-
Ęniki tworzÄ…ce par´ Coopera, i pozwala rzÄ…cych nadprzewodnik i pozostawia za "y czu"e na znak funkcji, ich wyniki za-
obliczyç prawdopodobieÅ‚
stwo znalezie- sobÄ… zaburzenie pola magnetycznego (fa- tem nie stanowi"y przekonujÄ…cego do-
nia jednego noĘnika w danej odleg"oĘci l´ spinowÄ…). Fala ta przyciÄ…ga drugi no- wodu zwyci´stwa symetrii typu d.
od drugiego. Ęnik, co powoduje powstanie pary Coo- Jest jednak sposób okreĘlenia znaku
W konwencjonalnym nadprzewodni- pera. Czas Życia fal spinowych jest bar- listków funkcji falowej. W metodzie tej
ku funkcja falowa pary Coopera ma naj- dzo krótki, dlatego czasami nazywane wykorzystuje si´ dobrze znany efekt pu-
wyÅ»szÄ… moÅ»liwÄ… symetri´: sferycznÄ…, sÄ… one fluktuacjami spinu. "apkowania pola magnetycznego we-
52 ÂWIAT NAUKI PaÄ™dziernik 1996
JOHN R. KIRTLEY
wnątrz nadprzewodzącego pierĘcienia. albo jej brak wyznacza, czy i w jaki spo- tlenku itrowo-barowo-miedziowego
Wiadomo teŻ, Że pu"apkowany strumieł
sób listki funkcji falowej zmieniają znak. (YBCO) i cienkiej warstwy o"owiu.
jest wielokrotnoĘcią okreĘlonej jednost- Fizycy eksperymentatorzy zdo"ali za- Nasza grupa przeprowadzi"a ostat-
ki zwanej kwantem strumienia, który obserwowaç po"ówki kwantu strumie- nio w laboratorium IBM pierwsze ob-
moÅ»na wyobraÅ»aç sobie jako rurk´ z po- nia magnetycznego zaledwie przed trze- serwacje po"ówek kwantu strumienia.
lem magnetycznym. Ca"kowity strumieł
ma laty, choç ich istnienie przewidzia" WykorzystaliĘmy zaprojektowane spe-
pola magnetycznego w rurce (iloczyn in- juŻ pod koniec lat siedemdziesiątych cjalnie w tym celu pierĘcienie wykona-
dukcji pola magnetyczngo i powierzch- Lew N. Bu"ajewskij z Instytutu Lebie- ne z miedzianów z wbudowanymi cien-
ni przekroju poprzecznego rurki) jest sta- diewa w Rosji (obecnie pracuje w Los kimi warstwami izolatora. Te izolujÄ…ce
"ą fundamentalną, równą h/2e, gdzie h Alamos National Laboratory) i inni. bariery zwane z"ączami Josephsona są
jest sta"ą Plancka, a e  "adunkiem elektro- Pierwsze wskazówki przynios"y po- tak cienkie, Że umoŻliwiają tunelowa-
nu. PierĘcienie wykonane z konwencjo- miary namagnesowania wykonane nie par Coopera. Zjawisko to nosi na-
nalnych nadprzewodników o funkcjach w 1993 roku przez Dietera Wohllebena zw´ efektu Josephsona od nazwiska
falowych typu s zawierają ca"kowitą licz- z Uniwersytetu Koloł
skie-
b´ kwantów strumienia. go. Póęniej Dave Wollman
PierĘcienie wykonane z nadprzewod- i Dale van Harlingen z Z¸ÅƒCZE
30°
JOSEPHSONA
nika o stanach typu d mogÄ… jednak University of Illinois do-
DWA
kwantowaç strumieÅ‚
w inny sposób. starczyli znacznie bardziej
Z¸ÅƒCZA
Obliczenia wykazują, Że w zaleŻnoĘci przekonujących dowodów,
od energii uk"adu i strumienia pola ma- przedstawiajÄ…c pomiary
gnetycznego jego wielkoĘç moÅ»e byç charakterystyk prÄ…dowo-
ca"kowitÄ… wielokrotnoĘciÄ… po"owy -napi´ciowych pierĘcieni
kwantu strumienia. Okazuje si´, Å»e nadprzewodzÄ…cych wyko-
DWA
Z¸ÅƒCZA
obecnoĘç takiej kwantyzacji strumienia nanych z monokryszta"u
60°
DOÂWIADCZENIE Z  POTRÓJNYM KRYSZTA¸EM sprawdzajÄ…ce hipo-
TRZY
tez´ o istnieniu funkcji o symetrii d (z prawej). Granice trzech obszarów
Z¸ÅƒCZA
nadprzewodnika zawierajÄ…cego itr tworzÄ… z"Ä…cza Josephsona. Wytrawione
pierĘcienie zawierają trzy, dwa z"ącza Josephsona lub wcale ich nie mają.
JeĘli funkcja falowa nadprzewodnika jest typu d, to wewnątrz pierĘcienia
z trzema z"Ä…czami powinien byç zamkni´ty strumieÅ‚
równy po"owie kwan-
BRAK Z¸ÅƒCZA
tu strumienia, strumieł
zaĘ w pierĘcieniach o parzystej liczbie z"ączy  rów-
ny zeru. Obraz po"owy kwantu strumienia (poniŻej) dowodzi, Że teorie po-
winny opisywaç stan nadprzewodzÄ…cy za pomocÄ… funkcji typu d.
ÂWIAT NAUKI PaÄ™dziernik 1996 53
CLIFFORD A. PICKOVER
IBM Research
JARED SCHNEIDMAN DESIGN
Briana Josephsona, laureata Nagrody WytworzyliĘmy pierĘcienie nadprze- "y prąd nadprzewodzący. W pewnym
Nobla, który przewidzia" je w 1962 roku. wodnika itrowego na specjalnie przy- sensie pierĘcieł
zachowuje si´ tak, jakby
Efekt Josephsona zachodzi tylko wte- gotowanym pod"oÅ»u w taki sposób, Å»e by" skr´cony we wst´g´ Möbiusa. Ten-
dy, gdy pary Coopera po jednej stronie kaÅ»dy pierĘcien obejmowa" trzy sektory. dencja do  rozkr´cenia wst´gi sprawia,
z"Ä…cza  sÄ… w przeciwfazie z parami po KaÅ»dy sektor by" obrócony wzgl´dem Å»e "adunki zaczynajÄ… si´ poruszaç.
drugiej stronie.  Faza jest jednÄ… z cech sÄ…siedniego o 30°, tak Å»e wszystkie gra- StwierdziliĘmy, Å»e w pierĘcieniu zna-
funkcji falowej (okreĘla, z grubsza rzecz nice utworzy"y z"Ä…cza Josephsona. Gdy- jdujÄ… si´ tylko po"ówkowe wartoĘci stru-
biorÄ…c, w jakiej cz´Ä˜ci okresu drgaÅ‚
jest by pary Coopera mia"y symetri´ d, mienia. To oczywisty dowód symetrii
w"aĘnie funkcja). Mając nadprzewod- wówczas funkcja falowa kaŻdej pary typu d (w przypadku funkcji falowej o
nik o funkcji falowej typu d, moŻna za- zmienia"aby znak po okrąŻeniu pierĘcie- symetrii s w pierĘcieniu w ogóle nie
projektowaç pierĘcienie ze z"Ä…czami Jo- nia. (Nie wiemy naprawd´, ile razy by"oby strumienia).
sephsona, które automatycznie zmienia- funkcja zmienia znak, poza tym Że dla ZobrazowaliĘmy rozk"ad pola magne-
jÄ… faz´ krąŻących par Coopera. Ta zmia- takiej geometrii pierĘcienia musi to za- tycznego w pierĘcieniu za pomocÄ… mi-
na fazy jest równowaÅ»na odwróceniu chodziç nieparzystÄ… liczb´ razy.) kroskopu skaningowego z interferome-
znaku funkcji falowej. Z drugiej strony, gdyby funkcja mia- trem kwantowym. Interferometr kwan-
"a symetri´ typu s, czyli sta"y znak, obec- towy jest najwraÅ»liwszym czujnikiem
PierĘcieł
wokó" strumienia noĘç granic sektorów by"aby bez zna- pola magnetycznego [patrz: John Clar-
czenia. Funkcja falowa nie zmienia"aby ke,  Interferometry kwantowe ; Âwiat
Tak wi´c dzi´ki wbudowanej zmianie si´ po okrÄ…Å»eniu pierĘcienia. Nauki, paÄ™dziernik 1994]. Staranna kali-
znaku w ozi´bianym pierĘcieniu pop"y- Wytworzone z  trójkryszta"u pier- bracja sygna"u z interferometru wykaza-
nie spontanicznie prÄ…d otaczajÄ…cy stru- Ęcienie o Ęrednicy oko"o 50 m ozi´bia- "a na wiele sposobów, Å»e mamy do czy-
mieł
o wartoĘci równej dok"adnie po"o- liĘmy nast´pnie do temperatury niÅ»szej nienia z dok"adnie po"owÄ… kwantu
wie kwantu strumienia. W pierĘcieniu niŻ krytyczna. Z powodu swej geometrii strumienia w  trójkrystalicznym pier-
ozi´bianym w polu magnetycznym zo- pierĘcienie by"y oczywiĘcie niestabilne, Ęcieniu . Wykonane dla porównania
stanie uwi´ziony strumieÅ‚
o wartoĘci biorÄ…c pod uwag´ przewodnictwo, pierĘcienie z parzystÄ… liczbÄ… z"Ä…czy nie
3/2, 5/2, 7/2 itd. kwantu strumienia. i spontanicznie pojawia" si´ w nich ma- obejmowa"y Å»adnego strumienia (ponie-
waÅ» znak zmienia" si´ parzystÄ… liczb´ ra-
zy i powraca" do początkowej wartoĘci).
ZmienialiĘmy równieŻ warunki do-
160
Ęwiadczenia, aby upewniç si´, Å»e otrzy-
mane wyniki są na pewno okreĘlone
przez symetri´ funkcji falowej pary Coo-
pera, a nie inne efekty. WykazaliĘmy, Że
TLENEK MIEDZIOWO-
140
niewielkie zmiany geometrii pierĘcienia
-BAROWO-WAPNIOWO-
V 1993
-RTóCIOWY
powodujÄ… spontaniczne pojawianie si´
i znikanie po"ówkowych wartoĘci stru-
TLENEK MIEDZIOWO-TALOWO-
II 1988
-BAROWO-WAPNIOWY
mienia. Przyk"adajÄ…c s"abe pole magne-
120 NOC
tyczne, stwierdziliĘmy, Że pozosta"e pier-
TLENEK MIEDZIOWO-BIZMUTOWO-
NA KSIóÚYCU
I 1988
-STRONTOWO-WAPNIOWY
Ęcienie obejmowa"y ca"kowitą wielokrot-
noĘç kwantów strumienia, co oznacza-
"o, Że wszystkie pierĘcienie dzia"a"y pra-
100
wid"owo. DoĘwiadczenia wykonane na
TLENEK MIEDZIOWO-
II 1987
-ITROWO-BAROWY
cienkich warstwach, kropkach i pierĘcie-
niach, których geometria nie by"a spe-
cjalnie dobierana, potwierdzi"y istnienie
80
CIEK¸Y AZOT po"ówkowych wartoĘci kwantu strumie-
nia, dowodząc tym samym, Że jest to
w"aĘciwoĘç wynikajÄ…ca z symetrii stanu
nadprzewodzącego, a nie szczególnego
60
kszta"tu próbki.
W ciągu ostatniego roku powtórzyli-
I 1987
TLENEK
Ęmy te doĘwiadczenia z trzema innymi
XII 1986
MIEDZIOWO-
POWIERZCHNIA PLUTONA
miedzianami: tlenkiem miedziowo-biz-
40 XII 1986
-LANTANOWO-BAROWY
mutowo-strontowo-wapniowym (który
IV 1986
ma struktur´ w pewnym sensie bardziej
CIEK¸Y NEON
skomplikowanÄ… niÅ» YBCO), tlenkiem
Nb3Ge
miedziowo-barowo-gadolinowym (mniej
20 CIEK¸Y WODÓR
Nb3Sn
wi´cej równie z"oÅ»onym jak YBCO) i tlen-
Nb3N
kiem miedziowo-barowo-talowym (pro-
O¸Ã“W NIOB
stszym niŻ YBCO). OtrzymaliĘmy te sa-
RTóå CIEK¸Y HEL
0
me rezultaty. DoĘwiadczenia przepro-
1910 1950 1960 1970 1980 1990 2000
wadzone przez nas, a takŻe te wykonane
w University of Illinois, w Federalnym
NADPRZEWODNIKI o coraz wyÅ»szej temperaturze krytycznej otrzymuje si´ ze zwiÄ…z-
Instytucie Technologicznym w Zurychu
ków miedzi. Úadna z proponowanych dotychczas teorii nie wyklucza istnienia nadprze-
i w University of Maryland sÄ… zgodne
wodnictwa w temperaturze pokojowej, chociaŻ z drugiej strony nie ma doĘwiadczalnych
danych przemawiających za taką moŻliwoĘcią. z hipotezą o symetrii typu d.
54 ÂWIAT NAUKI PaÄ™dziernik 1996
JARED SCHNEIDMAN DESIGN
TEMPERATURA (KELWINY)
STARY MODEL (FONONY)
ODKSZTA¸CENIE SIECI
ELEKTRON
DODATNI JON
NOWY MODEL (FALE SPINOWE)
OBRÓT SPINU
PRZYCIŃGANIE
ZA POÂREDNICTWEM
FALI SPINOWEJ
NOÂNIK ¸ADUNKU
STARY I NOWY MODEL NADPRZEWODNICTWA, pokazane tu w sposób bardzo uproszczony, zak"adajÄ… "Ä…czenie si´ noĘników "adun-
ku w pary. W starym modelu, który wyjaĘnia nadprzewodnictwo niskotemperaturowe na gruncie starych teorii, poruszajÄ…cy si´ elektron
wytwarza fonony  odkszta"cenia sieci krystalicznej  przyciÄ…gajÄ…ce drugi elektron. W jednej z wielu nowych koncepcji  modelu zak"a-
dajÄ…cym wzbudzenia fal spinowych  noĘnik "adunku zaburza spin jednego jonu, co powoduje zmian´ orientacji spinu sÄ…siedniego jo-
nu i przyciÄ…gni´cie drugiego noĘnika z przeciwnie skierowanym spinem.
Jest prawie pewne, Å»e funkcja falowa ba wykonaç podobne doĘwiadczenia na nie wyÅ»szej niÅ» 20°C, nawet w kilkuset
w kilku nadprzewodzących miedzia- innych miedzianach. Na przyk"ad funk- stopniach. ChociaŻ ta górna granica wy-
nach ma symetri´ typu d. (Niektóre do- cja falowa w tlenku miedziowo-cerowo- daje si´ nierealna, ewentualnoĘç nad-
Ęwiadczenia Ęwiadczą o symetrii ty- -neodymowym, domieszkowanym w przewodzenia w temperaturze pokojo-
pu s, ale moÅ»e to byç efekt tego, Å»e funk- ten sposób, Å»e przewodnictwo odbywa wej jest na pewno wielkim osiÄ…gni´ciem
cja falowa w pewnych warunkach mie- si´ dzi´ki elektronom, jest prawdopo- w porównaniu z przewidywaniami
wa symetri´ mieszanÄ….) Nic zatem dziw- dobnie typu s. By"by to cios dla tych, konwencjonalnej teorii BCS, która wy-
nego, Å»e konwencjonalna teoria BCS nie którzy opowiadajÄ… si´ za mechanizmem znacza t´ granic´ w okolicach  233°C
nadaje si´ do opisu nadprzewodnictwa zwiÄ…zanym z fluktuacjami spinu, gdyÅ» (40 K). Badanie mechanizmów nadprze-
wysokotemperaturowego. Oznacza to wielu badaczy sÄ…dzi, Å»e ten sam mecha- wodnictwa moÅ»e przynieĘç korzyĘci
teÅ», Å»e wciÄ…Å» moÅ»na spodziewaç si´ po- nizm powinien wyjaĘniaç nadprzewod- tym, którzy wytwarzajÄ… nowe nadprze-
twierdzenia hipotezy o falach spino- nictwo we wszystkich nadprzewodni- wodzÄ…ce materia"y i konstruujÄ… urzÄ…-
wych przenoszÄ…cych oddzia"ywanie kach wysokotemperaturowych. Ozna- dzenia o praktycznym znaczeniu [patrz:
mi´dzy noĘnikami tworzÄ…cymi par´ cza"oby to teÅ», Å»e przyroda jest bardziej Paul C. W. Chu,  Nadprzewodniki wy-
Coopera. skomplikowana, niÅ» to sobie wyobra- sokotemperaturowe ; Âwiat Nauki, listo-
Żano. Systematyczne badania symetrii pad 1995].
Co dalej? funkcji falowej w zaleŻnoĘci od sk"adu Ostateczne okreĘlenie mechanizmu
nadprzewodnika pozwolÄ… wyelimino- sprz´Å»enia b´dzie wymaga"o jeszcze
Niestety, wyniki doĘwiadczeł
mogÄ… waç b"´dne teorie. wiele pracy. Obserwacja kwantów stru-
przemawiaç prawie za kaÅ»dym innym Na koniec coĘ pocieszajÄ…cego dla osób mienia magnetycznego przenikajÄ…cych
mechanizmem sprz´Å»enia (z udzia"em zainteresowanych zastosowaniami prak- pierĘcienie jest jednak pot´Å»nym na-
ekscytonów, polaronów i innych). Wy- tycznymi: otóŻ wi´kszoĘç proponowa- rz´dziem, które pomoÅ»e odpowiedzieç
starczy za"oÅ»yç, Å»e "adunki w parze nych mechanizmów nie wyklucza ist- na pytanie, dlaczego te materia"y o
Coopera silnie si´ odpychajÄ…, co Ęwiad- nienia nadprzewodnictwa w tempera- skomplikowanej strukturze wciÄ…Å» sta-
czy"oby o symetrii ze zmianą znaku. turze pokojowej. PobieŻne obliczenia wiają opór uczonym, ale nie prądowi
Niemniej jednak badanie symetrii w zakresie modelu fal spinowych wy- elektrycznemu.
moÅ»e ograniczyç zakres moÅ»liwych me- kazujÄ… na przyk"ad, Å»e nadprzewodnic-
T"umaczy"
Jerzy ¸usakowski
chanizmów sprz´gania noĘników. Trze- two moÅ»e istnieç w temperaturze znacz-
Informacje o autorach Literatura uzupe"niajÄ…ca
JOHN R. KIRTLEY i CHANG C. TSUEI poszukują po"ów- THE CASE FOR DX2Y2 PAIRING IN THE CUPRATE SUPERCONDUCTORS. D.J. Scalapino, Phy-
kowych kwantów strumienia pola magnetycznego w nad- sics Reports, vol. 250, nr 6, ss. 329-365, I/1995.
przewodzących pierĘcieniach w IBM Thomas J. Watson Re- CALL THEM IRRESISTIBLE. Tim Folger, Discover, vol. 16, nr 9, ss. 83-91, IX/1995.
search Center w Yorktown Heights (stan Nowy Jork), gdzie DESIGN AND APPLICATIONS OF A SCANNING SQUID MICROSCOPE. J. R. Kirtley, M. B. Ket-
pracują od lat siedemdziesiątych. Kirtley ukoł
czy" studia chen, C. C. Tsuei, J. Z. Sun, W. J. Gallagher, Lock-See Yu-Jahnes, A. Gupta,
i obroni" prac´ doktorskÄ… w University of California w San- K. G. Stawiasz i S. J. Wind, IBM Journal of Research and Development, vol. 39, nr 6,
ta Barbara. Tsuei ukoł
czy" studia w Uniwersytecie Tajwał
- ss. 655-668, XI/1995.
skim, a doktorat uzyska" w California Institute of Techno- EXPERIMENTS PROBE THE WAVEFUNCTION OF ELECTRON PAIRS IN HIGH-Tc SUPERCONDUC-
logy. Obaj są cz"onkami American Physical Society. Oprócz TORS. Barbara Levi, Physics Today, vol. 49, nr 1, ss. 19-22, I/1996.
nadprzewodnictwa badają takŻe podstawowe elektryczne ELECTRON PAIRS AND WAVES: TACKLING THE PUZZLE OF HIGH-TEMPERATURE SUPERCON-
i magnetyczne w"aĘciwoĘci cia" sta"ych. DUCTIVITY. Ivars Peterson, Science News, vol. 149, nr 10, ss. 156-157, 9 III 1996.
ÂWIAT NAUKI PaÄ™dziernik 1996 55
JARED SCHNEIDMAN DESIGN