Σάββατο, 11 Ιουλίου 2009

Υπεραγωγιμότητα, Θεωρία των χορδών


Το φαινόμενο της υπεραγωγιμότητας το ανακάλυψε ο Heike Kamerlingh Onnes το 1911, όταν χρησιμοποίησε το υγρό ήλιο ως ψυκτικό μέσο για να μελετήσει τις ηλεκτρικές ιδιότητες των μετάλλων στις χαμηλές θερμοκρασίες. Προς μεγάλη έκπληξη όλων, όταν ένα δείγμα υδραργύρου ψύχθηκε στους 4,2 περίπου Κέλβιν, η αντίσταση του ξαφνικά μηδενίστηκε. Μηδενισμός της αντίστασης σημαίνει μηδενισμός της τριβής, κάτι που θα ήταν (και είναι) έξω από τη φύση των πραγμάτων. Έκτοτε έγιναν πολλές μελέτες και έρευνες και διαπιστώθηκε ότι και σε άλλα μέταλλα η ηλεκτρική αντίσταση μηδενίζεται για θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν.Το φαινόμενο ονομάστηκε υπεραγωγιμότητα και η θερμοκρασία κάτω από την οποία μηδενίζεται η αντίσταση κρίσιμη θερμοκρασία, ή Τκ.
Είναι φανερό ότι εφόσον η αντίσταση ενός υπεραγωγού μηδενίζεται, αν έχει προκληθεί κάποιο ηλεκτρικό ρεύμα σ' αυτόν, αυτό θα συνεχίσει να τον διαρρέει, χωρίς να υπάρχει ανάγκη κάποιας ηλεκτρικής τάσης. Σε ερευνητικό κέντρο της Αγγλίας ένας υπεραγωγός διαρρεόταν από ρεύμα 2,5 χρόνια! Το πείραμα διακόπτηκε από ατύχημα. Θα συνέχιζε κατά τους υπολογισμούς να τον διαρρέει επί 100.000 χρόνια!!
Οι υπεραγωγοί είναι τέλεια διαμαγνητικά υλικά. Η μαγνητική τους ροή εξαφανίζεται από το εσωτερικό τους. Παραμένει σε ένα επιφανειακό στρώμα πάχους της τάξης των 100nm και λέγεται βάθος διείσδυσης London.
Οι υπεραγωγοί ως διαμαγνητικά υλικά απωθούνται από τους μαγνήτες.

Ο υπεραγωγός απωθείται από τον μαγνήτη(εν προκειμένω αιωρείται, επειδή ο υπεραγωγός είναι τέλειο διαμαγνητικό υλικό)

Κατά τις πρώτες πέντε δεκαετίες της έρευνας στο πεδίο της υπεραγωγιμότητας, αργά αλλά σταθερά ανακαλύπτονταν άλλα υλικά με ακόμη υψηλότερες κρίσιμες θερμοκρασίες. Όλοι αυτοί οι υπεραγωγοί ήταν είτε καθαρά μεταλλικά στοιχεία είτε διαμεταλλικές ενώσεις (αποτελούμενες από δύο ή περισσότερα μεταλλικά στοιχεία). Ωστόσο, από τη δεκαετία του 1960 έως τα μέσα της δεκαετίας του 1980 η μέγιστη τιμή της Τκ έμοιαζε να έχει καθηλωθεί στους 20 και κάτι Κέλβιν.
Όλα αυτά άλλαξαν το 1986 με την ανακάλυψη της υπεραγωγιμότητας υψηλών θερμοκρασιών σε μια πληθώρα μεταλλικών οξειδίων με βάση το χαλκό. Κατά τα πρώτα λίγα χρόνια μετά τη συγκεκριμένη ανακάλυψη, οι τιμές της Τκ εκτοξεύθηκαν στα ύψη, με το οξείδιο υδραργύρου - βαρίου - ασβεστίου - χαλκού να έχει Τκ περίπου 130 Κ. Ήταν μια απίστευτα συναρπαστική εποχή, αλλά σύντομα κατέστη σαφές ότι η κύρια θεωρία για το πώς εμφανίζεται η υπεραγωγιμότητα —η γνωστή ως θεωρία BCS — δεν εξηγεί την απουσία αντίστασης σε αυτά τα υλικά. Παρά τις σχεδόν εικοσαετείς προσπάθειες, εξακολουθεί να μην υπάρχει ικανοποιητική θεωρία για το πώς ή το γιατί υπεράγουν τα μεταλλικά οξείδια με βάση το χαλκό.

Στις 7 Ιουλίου (2009) στο science daily ανακοινώθηκε ότι χρησιμοποίησαν τη θεωρία των χορδών ώστε να εξηγήσουν το φαινόμενο της υπεραγωγιμότητας και τα αποτελέσματα ήταν θεαματικά. Αυτό ήταν πολύ σημαντικό γιατί είναι, η πρώτη φορά που η θεωρία των χορδών κάνει μια συγκεκριμένη σύνδεση με τη φυσική πραγματικότητα.
Διαβάστε το υπόλοιπο άρθρο...

Η θεωρία των χορδών βάλλεται από παντού τα τελευταία χρόνια. Οι υποσχέσεις που είχαν δοθεί δεν έχουν πραγματοποιηθεί.
Οι θεωρητικοί φυσικοί του Λάιντεν τώρα για πρώτη φορά χρησιμοποίησαν τη θεωρία χορδών για να περιγράψουν ένα φυσικό φαινόμενο -- τη κβαντική-κρίσιμη κατάσταση των ηλεκτρονίων που οδηγούν στην υψηλής θερμοκρασίας υπεραγωγιμότητα. Η ανακάλυψή τους έχει αναφερθεί πρόσφατα στο περιοδικό Science. Τα ηλεκτρόνια μπορούν να διαμορφώσουν ένα ειδικό είδος κατάστασης, μια αποκαλούμενη κβαντική κρίσιμη κατάσταση, η οποία διαδραματίζει έναν ρόλο στην υψηλής θερμοκρασίας υπεραγωγιμότητα. Η υπεραγωγιμότητα στις υψηλές θερμοκρασίες είναι από καιρό ένα «καυτό ζήτημα» στη φυσική. Στην υπεραγωγιμότητα, που ανακαλύπτεται από τη Heike Kamerlingh Onnes στο Λάιντεν, τα ηλεκτρόνια μπορούν να διέλθουν μέσω ενός υλικού χωρίς να συναντήσουν οποιαδήποτε αντίσταση. Κατά πρώτο λόγο, αυτό φαινόταν πιθανό στις πολύ χαμηλές θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν, αλλά όλο και περισσότερα παραδείγματα εμφανίστηκαν , όπου το φαινόμενο εμφανίζεται επίσης στις υψηλότερες θερμοκρασίες. Μέχρι τώρα, κανένας δεν έχει κατορθώσει να εξηγήσει την υψηλής θερμοκρασίας υπεραγωγιμότητα. Ο Jan Zaanen δεν κάνει καμία προσπάθεια να κρύψει τον ενθουσιασμό του. Μαζί με τον Mihailo Cubrovic και τον Koenraad Schalm, έχει κατορθώσει επιτυχώς να ρίξει φως σε ένα προηγουμένως ανεξήγητο φυσικό φαινόμενο χρησιμοποιώντας τα μαθηματικά της θεωρίας των χορδών.
Θεωρία των πάντων
Αυτή είναι η πρώτη φορά που ένας υπολογισμός βασισμένος στη θεωρία των χορδών έχει δημοσιευθεί στο Science, ακόμα κι αν η θεωρία είναι ευρέως γνωστή. «Υπήρχαν πάντα πολλές προσδοκίες γύρω από τη θεωρία χορδών,» εξηγεί ο Zaanen, έχοντας ο ίδιος μελετήσει τη θεωρία των χορδών για να ικανοποιήσει την περιέργειά του. Η «θεωρία των χορδών αντιμετωπίζεται συχνά ως παιδί του Einstein που στοχεύει να επινοήσει μια επαναστατική και περιεκτική θεωρία, ένα είδος «θεωρίας των πάντων.» Δέκα έτη πριν, οι ερευνητές έλεγαν ακόμη και: «Δώστε μας δύο εβδομάδες και θα είμαστε σε θέση να σας πούμε από πού προήλθε η μεγάλη έκρηξη. «Το πρόβλημα της θεωρίας χορδών ήταν ότι, παρά τα άριστα μαθηματικά της, δεν ήταν ποτέ ικανή να κάνει μια συγκεκριμένη σύνδεση με τη φυσική πραγματικότητα -- τον κόσμο γύρω από μας.»
Quantum soup
Αλλά τώρα, ο Zaanen, μαζί με τους συναδέλφους του Cubrovic και Schalm, προσπαθεί να αλλάξει αυτήν την κατάσταση, με την εφαρμογή της θεωρίας χορδών σε ένα φαινόμενο που οι φυσικοί, συμπεριλαμβανομένου Zaanen, για τα προηγούμενα δεκαπέντε έτη ήταν ανίκανοι να εξηγήσουν: τη κβαντική-κρίσιμη κατάσταση «quantum-critical state» των ηλεκτρονίων. Αυτό η ειδική κατάσταση εμφανίζεται σε ένα υλικό αμέσως προτού να γίνει υπεραγώγιμο σε υψηλή θερμοκρασία. Ο Zaanen περιγράφει τη κβαντική-κρίσιμη κατάσταση ως «κβαντική σούπα», στην οποία τα ηλεκτρόνια διαμορφώνουν μια συλλογικότητα ανεξάρτητη των αποστάσεων, όπου τα ηλεκτρόνια εκθέτουν την ίδια συμπεριφορά στη μικρή κβαντική μηχανική κλίμακα ή στη μακροσκοπική ανθρώπινη κλίμακα.
Γέφυρα
Λόγω του ενδιαφέροντος του Zaanen για τη θεωρία χορδών, αυτός και ο θεωρητικός των χορδών Koenraad Schalm εξοικειώθηκαν σύντομα μετά από την άφιξη του Schalm στο Λάιντεν. Ο Zaanen είχε ένα άλυτο πρόβλημα και ο Schalm ήταν εμπειρογνώμονας στον τομέα της θεωρίας χορδών. Το κοινό ενδιαφέρον τους, τους έφερε μαζί, και αποφάσισαν να λειτουργήσουν από κοινού στην έρευνα. Χρησιμοποίησαν την πτυχή της θεωρίας σειράς γνωστή ως αντιστοιχία AdS/CFT. Αυτό επιτρέπει σε καταστάσεις σε έναν μεγάλο σχετιστικό κόσμο να μεταφραστούν σε μια περιγραφή σε ένα μικροσκοπικό κβαντικό επίπεδο φυσικής. Αυτή η αντιστοιχία γεφυρώνει το χάσμα μεταξύ αυτών των δύο διαφορετικών κόσμων. Με την εφαρμογή της αντιστοιχίας στην κατάσταση όπου μια μαύρη τρύπα δονείται όταν πέσει ένα ηλεκτρόνιο σε αυτήν, έφθασαν στην περιγραφή των ηλεκτρονίων που κινούνται μέσα και έξω από μια κβαντική -κρίσιμη κατάσταση.
Παζλ
Μετά από ημέρες και τις νύχτες του σκληρής δουλειάς, ένα κομμάτι του παζλ ταίριαξε. «Δεν περιμέναμε να λειτουργήσει τόσο καλά,» λέει ένας ενθουσιασμένος Zaanen. «Τα μαθηματικά ταίριαξαν τέλεια, ήταν θαυμάσιο. Όταν είδαμε τους υπολογισμούς, στην αρχή μετά βίας μπορούσαμε να το πιστέψουμε, αλλά ήταν σωστό.» Πηγαίνοντας πιο πέρα, το μυστήριο της υπεραγωγιμότητας υψηλής θερμοκρασίας δεν επιλύεται πλήρως, τα συμπεράσματα δείχνουν ότι τα σοβαρά προβλήματα στη φυσική μπορούν να εξεταστούν χρησιμοποιώντας τη θεωρία χορδών. Και αυτό είναι ακριβώς η έναρξη, θεωρεί ο Zaanen. «Η αντιστοιχία AdS/CFT εξηγεί τώρα τα πράγματα που οι συνάδελφοι για πολύ καιρό ήταν ανίκανοι να επιλύσουν, παρά τις τεράστιες προσπάθειές τους. Υπάρχουν πολλά πράγματα που μπορούν να γίνουν με αυτή. Δεν το καταλαβαίνουμε πλήρως ακόμα, αλλά το βλέπω ως διέξοδο για πολύ περισσότερα.»
Journal reference:
1. M Cubrovic, J Zaanen, K Schalm. String Theory, Quantum Phase Transitions, and the Emergent Fermi Liquid. Science, 2009; DOI: 10.1126/science.1174962
Adapted from materials provided by Leiden University.

Άλλες πηγές:
1.http://www.physics4u.gr/faq/supercontuct.html
2.Γραμματικάκης,Ι, (2006),Εισαγωγή στην Συγχρονη Φυσική,Αθήνα,Εκδόσεις Δημόπουλου.
3. http://www.sciencedaily.com/releases/2009/07/090706113702.htm

Δεν υπάρχουν σχόλια: