Meer dan een eeuw geleden bij toeval ontdekt, het fenomeen van supergeleiding inspireerde een technologische revolutie. 1911, tijdens het bestuderen van het gedrag van vast kwik onderkoeld tot 4 K (-269 ° C), De Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) constateerde voor het eerst dat bepaalde materialen elektriciteit geleiden zonder weerstand of verliezen bij temperaturen in de buurt van het absolute nulpunt.

De belangstelling herleefde in de jaren 1980 toen supergeleiding experimenteel werd waargenomen bij veel hogere temperaturen in het bereik van 90 K (-183 ° C). Dit record werd later overtroffen, en wetenschappers zoeken nu supergeleiding bij kamertemperatuur.

Deze informatie vormt de achtergrond voor een onderzoek dat onlangs is uitgevoerd door de Solid State Physics Group aan de São Paulo State University (UNESP) in Rio Claro, Brazilië. De hoofdonderzoeker was Valdeci Pereira Mariano de Souza. Naast andere onderzoekers verbonden aan UNESP, het team omvatte wetenschappers van de Paris South University (Orsay) in Frankrijk.

In Rio Claro, het onderzoeksteam gebruikte apparatuur die was gekocht met steun van de São Paulo Research Foundation - FAPESP om de resultaten te verkrijgen, die de basis vormde voor een artikel gepubliceerd in Fysieke beoordeling B .

"In verschillende materialen, de supergeleidende fase manifesteert zich in de nabijheid van wat bekend staat als de Mott-isolatiefase. De Mott-metaal-isolatorovergang is een plotselinge verandering in elektrische geleidbaarheid die optreedt bij een bepaalde temperatuur wanneer de Coulomb-afstoting tussen elektronen vergelijkbaar wordt met de kinetische energie van vrije elektronen, ' zei Mariano.

"Als de Coulomb-afstoting relevant wordt, de rondreizende elektronen worden gelokaliseerd, en dit minimaliseert de totale energie van het systeem. Deze elektronenlokalisatie is de Mott-isolatiefase. In sommige gevallen, een nog exotischer proces ontvouwt zich. Vanwege de interacties tussen elektronen die naburige plaatsen in het netwerk bezetten, de elektronen herschikken zich op een niet-homogene manier in het netwerk, en er treedt een zogenaamde 'laadbestelfase' op. Ons onderzoek richtte zich op dit soort fenomenen."

Wanneer de fase van het bestellen van ladingen plaatsvindt, de niet-homogene ladingsverdeling, die soms gepaard gaat met een verstoring van het kristallijnen netwerk, maakt het materiaal elektrisch gepolariseerd, en als een resultaat, het gedraagt ​​zich als een ferro-elektrisch materiaal. Deze fase staat bekend als de "ferro-elektrische Mott-Hubbard-fase" naar twee Britse natuurkundigen die het onderwerp bestudeerden:Nevill Mott (1905-1996), 1977 Nobelprijswinnaar in de natuurkunde, en John Hubbard (1931-1980).

Om deze exotische fasen experimenteel te verkennen, de UNESP-onderzoekers kozen voor een materiaal genaamd Fabre-zouten, die zijn gevormd uit een organisch molecuul, tetramethyltetrathiafulvaleen (TMTTF), met een symmetrische configuratie bestaande uit een centrale dubbele koolstofbinding en twee methylradicalen aan weerszijden. Ze gebruikten een cryostaat, ook verworven met de steun van FAPESP, om het koudste en meest magnetische punt te bereiken dat beschikbaar is bij UNESP, met een temperatuur van 1,4 K en een veld van 12 Tesla.

"Met deze experimentele opstelling we wilden niet alleen materialen karakteriseren, hoewel dat belangrijk is, maar om de fundamentele eigenschappen van materie te onderzoeken die zich onder extreme omstandigheden manifesteren, "Zei Mariano. "Fabrezouten hebben extreem rijke fasediagrammen voor degenen die dit soort onderzoek doen. De betrokken moleculaire systemen waren al onderzocht met behulp van kernspinresonantiebeeldvorming, infraroodspectroscopie en andere technieken. Wat we in wezen deden, was hun diëlektrische constanten meten in het laagfrequente regime."

Het is de moeite waard eraan te herinneren dat de diëlektrische constante varieert van materiaal tot materiaal en, terwijl het een macroscopische hoeveelheid is, het vertelt ons hoe polariseerbaar een materiaal is.

"Aangezien Fabre-zouten zeer anisotroop zijn en daarom sterk kristallografische richtingafhankelijke transporteigenschappen hebben, wanneer het bestellen van ladingen plaatsvindt, we observeren de elektrische polarisatie van Mott-Hubbard door de hele TMTTF-stack. Deze polarisatie is aanzienlijk en werd in 2001 in de literatuur vermeld, " zei de door FAPESP ondersteunde onderzoeker.

"De ionische bijdrage aan de diëlektrische constante van deze materialen werd voor het eerst gemeten in deze studie. We ontdekten dat naarmate de temperatuur daalt, de ionenbijdrage neemt ook af, die aanleiding geeft tot de Mott-Hubbard-fase. Dit was een nieuwe waarneming die nog niet in de literatuur was vermeld - een echt originele bijdrage van ons. We hebben ook het effect van de door bestraling veroorzaakte aandoening in de Mott-Hubbard-fase in detail onderzocht."

Dit is belangrijk, hij voegde toe, vanwege de nabijheid van de ferro-elektrische fase van Mott-Hubbard tot supergeleiding.

"Willem Kleine, Emeritus hoogleraar natuurkunde aan de Stanford University, verklaarde dat laagdimensionale moleculaire geleiders kandidaten zouden zijn voor het verkrijgen van supergeleiding bij kamertemperatuur. In zijn werk, Little stelde voor dat supergeleiding bij kamertemperatuur zou worden bereikt door middel van 'doorns', of geleidende ketens met sterk polariseerbare zijketens. De materialen die we bestuderen hebben precies deze elementen, ' zei Mariano.

De productie van stekels was een eerste stap. De volgende stap, die al is bedacht door de onderzoekers in Rio Claro, is om Fabre-zouten te benadrukken om supergeleiding in de ferro-elektrische fase van Mott-Hubbard te induceren.