Čeští fyzikové pomohli vysvětlit supravodivost sloučeniny plutonia

Dosud jen domněnku, že spinová interakce elektronů je původcem supravodivosti ve sloučeninách těžkých kovů, se nyní podařilo potvrdit německým, českým a italským badatelům. Společným úsilím experimentátorů z Ústavu pro transuranové elementy v Karlsruhe a teoretiků z Fyzikálního ústavu (FZÚ) AV ČR v Praze a z Polytechniky v Turíně byla totiž poprvé jednoznačně určena symetrie parametru uspořádání v supravodivé fázi sloučeniny PuCoGa₅. Významné výsledky jejich práce v těchto dnech uveřejnil prestižní mezinárodní odborný časopis Nature Communications.

Zmíněná symetrie, získaná ze spektroskopických měření takzvané Andrejevovy reflexe, odpovídá teoretické předpovědi pro magnetickými interakcemi indukovanou supravodivost, což je poměrně překvapivý výsledek, neboť tato sloučenina jinak nevykazuje žádné makroskopické magnetické chování. Podrobný teoretický rozbor ale ukazuje, že tento zdánlivý rozpor lze vysvětlit na základě dynamické kompenzace mikroskopických magnetických momentů, jež vyplývá z kvantově mechanických výpočtů elektronové struktury z prvních principů, které ve  FZÚ AV ČR provedli , Ing. Alexandr B. Shick, CSc., a Mgr. Jindřich Kolorenč, Ph.D.

Kovy obsahují velké množství volných elektronů, které nejsou vázány k atomům, z nichž se látka skládá. Proto mohou vést elektrický proud, který je ale obecně brzděn poruchami pravidelného uspořádání krystalické mřížky. Supravodivost, jež byla objevena před sto lety, je ale schopnost vést elektrický proud bez odporu materiálu, tedy bez ztráty energie. Pro vznik supravodivosti je nutná efektivní vzájemná přitažlivá síla mezi elektrony kovu. Jak známo, elektrony jsou elektricky nabité částice, které se normálně elektrostaticky odpuzují. První, a dosud jediný nezpochybnitelný mechanismus zprostředkování přitažlivé síly mezi elektrony je Bardeenova, Cooperova a Schriefferova (BCS) teorie, podle které interakce elektronů s kmitajícími ionty v krystalické mřížce může vést ke vzniku vázaných elektronových, tzv. Cooperových párů, které pak v nízkých teplotách kondenzují do supravodivého stavu. Tento mechanismus supravodivosti funguje pro většinu normálních supravodičů, nedovolujících průnik magnetického pole do materiálu. Za toto zásadní pochopení vzniku supravodivosti v kovech obdrželi jejich autoři v roce 1972 Nobelovu cenu.

Magnetismus kovů, který je též důsledkem chování elektronů, se obecně nesnáší se supravodivostí, neboť pro vznik magnetického chování je nutné silné odpuzování elektronů. Chemická sloučenina plutonia PuCoGa5 je typickým materiálem se silně interagujícími elektrony, který však při nízkých teplotách místo očekávaného magnetického chování přechází do supravodivého stavu. Kritická teplota, pod kterou se stává tento kov supravodivý, je dokonce nejvyšší ze všech transuranových sloučenin.

Elektron kromě elektrického náboje nese i spin, což je kvantová charakteristika odpovídající vnitřní rotaci částice. Rotující elektrický náboj generuje magnetický moment, který interaguje s jinými magnetickými momenty. Vzájemná interakce magnetických momentů elektronů za příhodných okolností generuje efektivní přitažlivost elektronů lokalizovaných na sousedních atomech krystalické mřížky. Tato přitažlivá síla pak může stabilizovat supravodivý stav.

Teplotní závislost odporu monokrystalu studované látky ukazující supravodivý fázový přechod.

Podrobné informace:
Mgr. Jindřich Kolorenč, Ph.D. Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i.

Publikovaný článek:
D. Daghero, M. Tortello, G.A. Ummarino, J.-C. Griveau, E. Colineau, R. Eloirdi, A.B. Shick, J. Kolorenc, A.I. Lichtenstein, and R. Caciuffo: Strong-coupling d-wave superconductivity in PuCoGa₅ probed by point-contact spectroscopy, Nat. Commun. 3:786 doi:10.1038/ncomms1785 (2012)]