Τα Δέκα Άρθρα του PRL

2. Υπεραγωγιμότητα στους 93 βαθμούς Kelvin σε ένα νέο σύμπλοκο σύστημα Y-Ba-Cu-O μεικτής φάσης σε πίεση περιβάλλοντος
("Superconductivity at 93 K in a new mixed-phase Y-Ba-Cu-O compound system at ambient pressure")
M. K. Wu et al,
Phys. Rev. Lett. 58 (1987) 908
Αριθμός αναφορών: 4171

Το κινεζικό σεληνιακό έτος της τίγρης έφθανε στο τέλος του στις 27 Ιανουαρίου 1987, καθώς ο Maw-Kuen Wu και οι μεταπτυχιακοί φοιτητές του, Jim Ashburn και T.J.Torng, μοχθούσαν στο εργαστήριό τους, στο Πανεπιστήμιο της Αλαμπάμα (UAH) στο Χάντσβιλ. Η ομάδα εξέταζε την ειδική αντίσταση δειγμάτων από μια ομάδα σύμπλοκων οξειδίων, ελπίζοντας να ανακαλύψουν υπεραγώγιμες μεταπτώσεις καθώς τα υλικά ψύχονταν μέσα σε ένα σύστημα υγρού ηλίου. Οι ερευνητές, από κοινού με τον συνάδελφο και μέντορα του Wu, Ching-Wu "Paul" Chu του Πανεπιστημίου του Χιούστον, είχαν λόγους να υποψιάζονται ότι τα δείγματά τους ίσως εμφάνιζαν κρίσιμες θερμοκρασίες μεγαλύτερες από τους 23.2 βαθμούς Κelvin του πρωτοφανούς υπεραγωγού που ανακαλύφθηκε στα 1973. Όμως στον ανταγωνισμό για την εύρεση υπεραγωγών υψηλών θερμοκρασιών Tc, αυτή η μικρή συνεργασία αποτελούσε στην καλύτερη περίπτωση ένα τόλμημα σε ένα πεδίο κυριαρχούμενο από ερευνητικές ομάδες όπως της IBM, των Εργαστηρίων Bell, και του Εθνικού Εργαστηρίου Argonne, καθώς και από ανάλογες ομάδες στη Ρωσία, την Κίνα, και την Ιαπωνία. Στην πραγματικότητα, ο εξοπλισμός που διέθεταν οι Wu, Torng και Ashburn στο μικρό εργαστήριο του UAH ήταν μάλλον ανεπαρκής για τη μέτρηση της κρίσιμης θερμοκρασίας των 93 βαθμών Kelvin του, σήμερα πασίγνωστου, μείγματος από ύτριο, βάριο, και οξείδιο του χαλκού (YBCO), στο οποίο είχαν καταλήξει τυχαία την παραμονή του έτους του λαγού. «Εκείνη την εποχή», λέει ο Chu, «τα θερμόμετρα σε εργαστήρια χαμηλών θερμοκρασιών σε όλο τον κόσμο σπανίως ήταν βαθμονομημένα για θερμοκρασίες μεγαλύτερες των 25 βαθμών Kelvin».

Προκειμένου να επιβεβαιώσουν γρήγορα την εκπληκτικά μεγάλη θερμοκρασία μετάπτωσης του YBCO, ο Wu και οι φοιτητές του αντικατέστησαν το υγρό ήλιο στο σύστημά τους με υγρό άζωτο. Στους 77 βαθμούς Kelvin, το υλικό είχε γίνει πράγματι υπεραγώγιμο. Για την περίπτωση που κάποια τυχαία πρόσμιξη είχε παρεισφρύσει στο δείγμα, προετοίμασαν άλλο ένα δείγμα από το σύμπλοκο YBCO. Για μια ακόμη φορά, μέσα στο υγρό άζωτο η ειδική αντίσταση του δείγματος μηδενίστηκε.

«Αμέσως μετά από την πρώτη μας μέτρηση στο δείγμα ήμασταν πολύ ταραγμένοι», θυμάται ο Wu. «Όταν το αποτέλεσμα επαληθεύτηκε μετά και τον δεύτερο έλεγχο, οι συνάδελφοί μου στο Τμήμα συμμερίστηκαν αμέσως τον ενθουσιασμό μας και μας παρείχαν κάθε δυνατή υποστήριξη. Ο πρόεδρος του Τμήματος ενέκρινε αμέσως ταξιδιωτικά κονδύλια ώστε να μεταβούμε στο Χιούστον για τη διεξαγωγή περαιτέρω μετρήσεων προκειμένου να επαληθεύσουμε τα αποτελέσματα».

Οι εκδότες του Physical Review Letters επιτάχυναν τη διαδικασία κρίσης της εργασίας, η οποία δημοσιεύθηκε σε διάστημα μικρότερο του ενός μηνός από την υποβολή της. Σύντομα ο ενθουσιασμός μεταδόθηκε στην παγκόσμια κοινότητα Φυσικής με αποτέλεσμα την πραγματοποίηση της θρυλικής μαραθώνιας συνεδρίας σε προβλήματα υπεραγωγιμότητας υψηλών θερμοκρασιών Tc κατά τη διάρκεια του συνεδρίου της Αμερικανικής Εταιρείας Φυσικής τον Μάρτιο του 1987. Η εφημερίδα New York Times χαρακτήρισε το γεγονός ως «Γούντστοκ της Φυσικής». Οι ερευνητές πολιορκήθηκαν από δημοσιογράφους, ευρύ κοινό, και επιστήμονες άλλων ειδικοτήτων. Μια πρόταση έκανε ιδιαίτερη εντύπωση στον Wu: «υπήρξε ένα πολύ ενδιαφέρον τηλεφώνημα από κάποιον επιστήμονα στη Ρωσία, που πρότεινε να χρησιμοποιήσουμε το υλικό της υψηλής θερμοκρασίας Tc για να δημιουργήσουμε μια τεράστια διάταξη αποθήκευσης ενέργειας με υπεραγώγιμους μαγνήτες, η οποία θα συνέδεε την Αλάσκα με την Σιβηρία. Έτσι δεν θα χρειαζόταν να ανησυχούμε πλέον για τα ενεργειακά ελλείμματα οπότε θα μπορούσαμε να απολαύσουμε την παγκόσμια ειρήνη».

Παρά την έκπληξη που προκαλεί το γεγονός ότι η μικρή συνεργασία Χάντσβιλ-Χιούστον κατάφερε να σπάσει αυτό που οι ερευνητές αποκάλεσαν στην εργασία τους «τεχνολογικό και ψυχολογικό θερμοκρασιακό φράγμα των 77 βαθμών Kelvin για την υπεραγωγιμότητα υψηλών θερμοκρασίων Tc», ο Chu εξηγεί ότι επρόκειτο για μια λογική πρόοδο σε σχέση με προηγούμενες εργασίες τους.

«Η κυρίαρχη σκέψη στο πεδίο αυτό ήταν ότι η υπεραγωγιμότητα πάνω από τους 30 βαθμούς Kelvin ήταν αδύνατη λόγω των ασταθειών πλέγματος», συνεχίζει ο Chu. «Ωστόσο, οι (προηγούμενες) μελέτες μας σε υψηλές πιέσεις είχαν δείξει ότι οι αστάθειες στα υλικά που ήταν γνωστά εκείνη την εποχή δεν είχαν ιδιαίτερα αρνητικές επιπτώσεις στη θερμοκρασία μετάπτωσης. Με άλλα λόγια, έπρεπε να είναι δυνατή μια θερμοκρασία Tc μεγαλύτερη από 30 βαθμούς. Αποφασίσαμε ότι ένας από τους καλύτερους τρόπους ήταν να εξετάσουμε υλικά στα οποία ήταν πιθανή η δράση νέων μηχανισμών. Το σύμπλοκο Ba-Pb-Bi-O σε κατάσταση χαμηλής πυκνότητας ηλεκτρονίων, το οποίο έχει θερμοκρασία Tc (περίπου) 13 βαθμούς Kelvin, υψηλή για εκείνη την εποχή, προσέφερε αυτή τη δυνατότητα, κι αυτό επειδή δεν περιείχε κανένα μέταλλο μετάπτωσης, κάτι που θεωρείτο αναγκαίο για υπεραγωγούς υψηλών θερμοκρασιών Tc. Προτείναμε ότι η υψηλή θερμοκρασία Tc ίσως οφειλόταν σε ένα νέο μηχανισμό. Στην πραγματικότητα, στις τελευταίες δύο συζητήσεις που είχα με τον Bernd Matthias, πρωτοπόρο στο πεδίο των υψηλών θερμοκρασιών Tc, ακριβώς πριν από τον αδόκητο θάνατό του το 1980, συμφωνήσαμε ότι το μέλλον των υψηλών θερμοκρασιών Tc βρισκόταν σε οξείδια τύπου περοβσκίτη. Η θετική επίπτωση της πίεσης σε αυτά καθώς και σε παρεμφερή σύμπλοκα μάς οδήγησε στο YBCO».

Αυτό δεν σήμαινε ότι ο Chu ήταν απόλυτα βέβαιος. «Παρ' όλα τα προληπτικά μέτρα (μας), συνέχιζα να ανησυχώ για την πιθανότητα εμφάνισης τεχνητών αποτελεσμάτων. Θυμάμαι ακόμη (που ρώτησα σχετικά) τους τότε φοιτητές μου περισσότερες από μια φορές προτού άλλα εργαστήρια αναπαράγουν τα αποτελέσματαΜπορεί να υπάρξει φαινόμενο διαφορετικό από την υπεραγωγιμότητα που να δώσει το ίδιο αποτέλεσμα; Παρακαλώ σκεφθείτε και μάλιστα σκεφθείτε φωναχτά». Βαθιά μέσα μου ανησυχούσα ότι η σταδιοδρομία μου στην υπεραγωγιμότητα θα τερματιζόταν απότομα αν επρόκειτο για κάποιο τεχνητό αποτέλεσμα».

Βεβαίως, η ανακάλυψή τους επαληθεύτηκε σύντομα από ερευνητικές ομάδες σε όλον τον κόσμο. Τα τελευταία 16 χρόνια έχουν παραχθεί σύμπλοκα, παρεμφερή με το YBCO, σε ακόμη υψηλότερες τιμές της θερμοκρασίας Tc. Σε αυτά συμπεριλαμβάνεται ένα μείγμα από υδράργυρο, βάριο και οξείδιο του χαλκού που εμφανίζει την μετάπτωση σε υπεραγωγό σε θερμοκρασία 134 βαθμών Kelvin σε συνθήκες ατμοσφαιρικής πίεσης, και 164 βαθμών Kelvin σε συνθήκες υψηλότερης πίεσης.

Ωστόσο, ο Wu πιστεύει ότι σημαντικά άλματα στην θερμοκρασία Tc θα απαιτήσουν κάποια άλλη, ακόμη άγνωστη, κατηγορία υλικών. Πρόκειται περισσότερο για μια διαίσθηση που συμμερίζονται πολλοί άλλοι φυσικοί. Η πρόσφατη ανακάλυψη υπεραγωγιμότητας σε διβρωμιούχο μαγνήσιο οδήγησε σε μια συναρπαστική συνεδρία στο συνέδριο της Αμερικανικής Εταιρείας Φυσικής τον Μάρτιο του 2001. Κάποιοι αποκάλεσαν αυτή τη συνεδρία «Δυτικό Γούντστοκ» σε ανάμνηση του Γούντστοκ της Φυσικής το 1987. Όμως λίγο πριν από την ανακάλυψη υπεραγωγιμότητας σε θερμοκρασίες δωματίου, είναι απίθανο οποιαδήποτε αύξηση στη θερμοκρασία Tc να προκαλέσει το είδος του ενθουσιασμού που ακολούθησε την ανακοίνωση για το YBCO. «Τότε στις αρχές της δεκαετίας του 1980», λέει ο Chu, «αστειευόμουν με τον Maw-Kuen λέγοντας πως αν κάποια μέρα βρίσκαμε έναν υπεραγωγό με Tc πάνω από 77 βαθμούς Kelvin, θα έπρεπε να γράψουμε μια εργασία με μόνο μια φράση σχετικά με την ανακάλυψη». Τελικά, η δημοσιευμένη εργασία είναι κάπως μεγαλύτερη από μια φράση, αν και με τις δυόμιση σελίδες της είναι σύντομη ακόμη και για το περιοδικό Physical Review Letters.

Σήμερα, ο Chu συνεχίζει τις μελέτες του σε βασικές και εφαρμοσμένες πτυχές της υπεραγωγιμότητας υψηλών θερμοκρασιών Tc στο Πανεπιστήμιο του Χιούστον, το Εργαστήριο Λόρενς Μπέρκλεϊ, αλλά και στο Πανεπιστήμιο του Χονγκ Κονγκ. Ο Wu συνέχισε επίσης τη μελέτη υπεραγώγιμων οξειδίων και σήμερα διευθύνει το Ινστιτούτο Φυσικής στην Academia Sinica της Ταϊβάν.