لعقود من الزمان ، أذهلت عائلة من البلورات الفيزيائيين بقدرتها المحيرة على التوصيل الفائق - أي حمل تيار كهربائي دون أي مقاومة - في درجات حرارة أكثر دفئًا من المواد الأخرى.
الآن ، سنوات تجربة في طور الإعداد الموصلية الفائقة تصور مباشرة على المقياس الذري في إحدى هذه البلورات ، وكشف أخيرًا سبب هذه الظاهرة بما يرضي الجميع تقريبًا. يبدو أن الإلكترونات تدفع بعضها البعض إلى تدفق غير احتكاك بطريقة اقترحتها لأول مرة نظرية محترمة قديمة قدم اللغز نفسه.
قال "هذا الدليل جميل ومباشر حقًا" سوبير ساشديف، عالم فيزياء في جامعة هارفارد قام ببناء نظريات البلورات ، والمعروفة باسم cuprates ، ولم يشارك في التجربة.
قال "لقد عملت على هذه المشكلة لمدة 25 عامًا ، وآمل أن أكون قد قمت بحلها" جي سي سيموس ديفيس، الذي قاد التجربة الجديدة في جامعة أكسفورد. "أنا سعيد للغاية."
يطابق القياس الجديد تنبؤًا قائمًا على النظرية ، التي تنسب الموصلية الفائقة النحاسية إلى ظاهرة كمومية تسمى التبادل الفائق. قال "أنا مندهش من الاتفاق الكمي" أندريه ماري تريمبلاي، عالم فيزياء في جامعة شيربروك في كندا وقائد المجموعة التي قامت بالتنبؤ العام الماضي.
يطور البحث الطموح الدائم للمجال: أخذ الموصلية الفائقة النحاسية وتقوية آليتها الأساسية ، من أجل تصميم مواد متغيرة للعالم قادرة على توصيل الكهرباء الفائقة في درجات حرارة أعلى. توفر الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة كفاءة مثالية للإلكترونيات اليومية وخطوط الطاقة والمزيد ، على الرغم من أن الهدف يظل بعيدًا.
قال ديفيس ، مشيرًا إلى نظرية التبادل الفائق: "إذا كانت هذه الفئة من النظرية صحيحة ، فلا بد أن يكون من الممكن وصف المواد الاصطناعية ذات الذرات المختلفة في مواقع مختلفة" التي تكون درجة الحرارة الحرجة فيها أعلى.
اثنين من الغراء
عانى الفيزيائيون مع الموصلية الفائقة منذ أن لوحظت لأول مرة في عام 1911. قام العالم الهولندي هايك كامرلينج أونز وزملاؤه بتبريد سلك زئبقي إلى حوالي 4 درجات كلفن (أي 4 درجات فوق الصفر المطلق) وشاهدوا بذهول حيث انخفضت المقاومة الكهربائية إلى الصفر. . شقّت الإلكترونات طريقها ببراعة عبر السلك دون توليد حرارة عندما اصطدمت بذراتها - مصدر المقاومة. قال ديفيس إن الأمر سيستغرق "عمراً من الجهد" لمعرفة كيف.
بناءً على الأفكار التجريبية الرئيسية من منتصف الخمسينيات من القرن الماضي ، جون باردين وليون كوبر وجون روبرت شريفر نشر نظريتهم الحائزة على جائزة نوبل هذا الشكل التقليدي من الموصلية الفائقة في عام 1957. تقول "نظرية BCS" ، كما هي معروفة اليوم ، أن الاهتزازات تتحرك عبر صفوف من الإلكترونات "اللاصقة" معًا. عندما يتطاير إلكترون سالب الشحنة بين الذرات ، فإنه يوجه نوى الذرة موجبة الشحنة نحوه ويطلق تموجًا. هذا التموج يسحب إلكترونًا ثانيًا. للتغلب على تنافرهما الكهربائي العنيف ، يشكل الإلكترونان "زوج كوبر".
قال "إنه خداع حقيقي للطبيعة" يورغ شماليان، عالم فيزياء في معهد كارلسروه للتكنولوجيا في ألمانيا. "ليس من المفترض أن يحدث هذا الزوج من Cooper."
عندما تتزاوج الإلكترونات ، فإن المزيد من الخداع الكمومي يجعل الموصلية الفائقة أمرًا لا مفر منه. عادة ، لا يمكن أن تتداخل الإلكترونات ، لكن أزواج كوبر تتبع قاعدة ميكانيكا الكم مختلفة ؛ تتصرف مثل جزيئات الضوء ، أي عدد منها يمكن أن يتراكم على رأس دبوس. تجتمع العديد من أزواج كوبر معًا وتندمج في حالة ميكانيكية كمومية واحدة ، "مائع فائق" ، تصبح غافلة عن الذرات التي تمر بينها.
أوضحت نظرية BCS أيضًا سبب التوصيل الفائق للزئبق ومعظم العناصر المعدنية الأخرى عند تبريده بالقرب من الصفر المطلق ولكنه يتوقف عن فعل ذلك فوق عدد قليل من درجات kelvins. تجعل التموجات الذرية أضعف أنواع المواد اللاصقة. ارفع الحرارة ، وهو يهتز الذرات ويغسل الاهتزازات الشبكية.
ثم في عام 1986 ، عثر باحثو IBM ، Georg Bednorz و Alex Müller ، على غراء إلكتروني أقوى في النحاسات: بلورات تتكون من صفائح من النحاس والأكسجين تتخللها طبقات من العناصر الأخرى. بعد أن لاحظ كوبراتي فائق التوصيل عند 30 درجة كلن ، سرعان ما وجد الباحثون آخرون أن الموصلية الفائقة فوق 100، ثم أعلى 130 كلن.
أطلق هذا الاختراق جهودًا واسعة النطاق لفهم الصمغ الأكثر صرامة المسؤول عن الموصلية الفائقة "ذات درجة الحرارة العالية". ربما تجمعت الإلكترونات معًا لتكوين تركيزات متقطعة ومتموجة من الشحنات. أو ربما تفاعلوا من خلال الدوران ، وهي خاصية جوهرية للإلكترون توجهه في اتجاه معين ، مثل مغناطيس بحجم الكم.
طرح الراحل فيليب أندرسون ، الحائز على جائزة نوبل الأمريكية والأسطورة الشاملة في فيزياء المادة المكثفة ، نظرية بعد أشهر فقط من اكتشاف الموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية. وجادل في وجود ظاهرة كمومية موصوفة سابقًا تسمى Superexchange في قلب الصمغ ، وهي قوة تنشأ من قدرة الإلكترونات على القفز. عندما تتمكن الإلكترونات من التنقل بين مواقع متعددة ، يصبح موضعها في أي لحظة غير مؤكد ، بينما يصبح زخمها محددًا بدقة. يمكن أن يكون الزخم الأكثر حدة زخمًا أقل ، وبالتالي حالة طاقة أقل ، والتي تبحث عنها الجسيمات بشكل طبيعي.
المحصلة هي أن الإلكترونات تبحث عن مواقف يمكنها القفز فيها. يفضل الإلكترون الإشارة لأسفل عندما يشير جاره ، على سبيل المثال ، لأن هذا التمييز يسمح للإلكترونين بالتنقل بين نفس الذرات. بهذه الطريقة ، يؤسس التبادل الفائق نمطًا تنازليًا منتظمًا من الأعلى إلى الأسفل من الإلكترونات تدور في بعض المواد. كما أنه يدفع الإلكترونات للبقاء على مسافة معينة من بعضها. (بعيدًا جدًا ، ولا يمكنهم القفز.) إنه عامل الجذب الفعال الذي اعتقد أندرسون أنه يمكن أن يشكل أزواج كوبر قوية.
كافح التجريبيون لفترة طويلة لاختبار نظريات مثل نظريات أندرسون ، نظرًا لأن خصائص المواد التي يمكنهم قياسها ، مثل الانعكاسية أو المقاومة ، قدمت فقط ملخصات أولية للسلوك الجماعي لتريليونات الإلكترونات ، وليس أزواجًا.
قال ديفيس: "لم يتم تصميم أي من الأساليب التقليدية لفيزياء المادة المكثفة لحل مشكلة مثل هذه".
تجربة فائقة
قام ديفيس ، الفيزيائي الأيرلندي الذي يعمل في مختبرات في أكسفورد وجامعة كورنيل وكلية كورك الجامعية ومدرسة ماكس بلانك الدولية لأبحاث الكيمياء وفيزياء المواد الكمومية في دريسدن ، بتطوير أدوات للتدقيق في الكوبريتات على المستوى الذري. قيمت التجارب السابقة قوة الموصلية الفائقة للمادة عن طريق تبريدها حتى تصل إلى درجة الحرارة الحرجة حيث بدأت الموصلية الفائقة - مع درجات حرارة أكثر دفئًا تشير إلى صمغ أقوى. ولكن على مدى العقد الماضي ، صقل فريق ديفيس طريقة لحث الصمغ حول الذرات الفردية.
قاموا بتعديل تقنية ثابتة تسمى الفحص المجهري للأنفاق ، والتي تسحب إبرة عبر سطح ، وتقيس تيار الإلكترونات التي تقفز بين الاثنين. عن طريق تبديل الطرف المعدني الطبيعي للإبرة بطرف فائق التوصيل ، ثم مسحه عبر كوبرات ، قاموا بقياس تيار من أزواج الإلكترونات بدلاً من الأفراد. سمح لهم ذلك بتحديد كثافة أزواج كوبر المحيطة بكل ذرة - وهو مقياس مباشر للموصلية الفائقة. قاموا بنشر الصورة الأولى لـ أسراب من أزواج كوبر in الطبيعة في 2016.
في نفس العام ، قدمت تجربة من قبل الفيزيائيين الصينيين قطعة كبيرة من الأدلة دعم نظرية التبادل الفائق لأندرسون: لقد أظهروا أنه كلما كان من الأسهل على الإلكترونات أن تقفز بين ذرات النحاس والأكسجين في كوبرات معين ، كلما ارتفعت درجة الحرارة الحرجة للكوبرات (وبالتالي كان صمغها أقوى). سعى ديفيس وزملاؤه إلى الجمع بين النهجين في بلورة نحاسية واحدة للكشف بشكل قاطع عن طبيعة الصمغ.
وقال إن لحظة "aha" جاءت في اجتماع جماعي حول Zoom في عام 2020. أدرك الباحثون أن كوبرات يسمى البزموت السترونتيوم أكسيد النحاس والنحاس (BSCCO ، أو "bisko" باختصار) له ميزة غريبة جعلت تجربة أحلامهم ممكنة. في BSCCO ، يتم ضغط طبقات ذرات النحاس والأكسجين في نمط متموج بواسطة صفائح الذرات المحيطة. هذا يغير المسافات بين ذرات معينة ، وهذا بدوره يؤثر على الطاقة المطلوبة للقفز. يسبب هذا الاختلاف صداعًا للمنظرين ، الذين يحبون شبكاتهم مرتبة مرتبة ، لكنه أعطى التجريبيين بالضبط ما يحتاجون إليه: مجموعة من طاقات التنقل في عينة واحدة.
استخدموا مجهر مسح تقليدي ذو طرف معدني لإلصاق الإلكترونات ببعض الذرات وانتزاعها من الآخرين ، ورسم خرائط للطاقات القافزة عبر الكوبرات. ثم قاموا بتبديل طرف كوبراتي لقياس كثافة أزواج كوبر حول كل ذرة.
واصطفت الخريطتان. حيث كانت الإلكترونات تكافح من أجل القفز ، كانت الموصلية الفائقة ضعيفة. حيث كان التنقل سهلاً ، كانت الموصلية الفائقة قوية. تتطابق العلاقة بين طاقة التنقل وكثافة زوج Cooper بشكل وثيق مع علاقة متطورة التنبؤ العددي من عام 2021 بواسطة Tremblay وزملاؤه ، والتي جادلوا بأن هذه العلاقة يجب أن تتبع من نظرية أندرسون.
Superexchange سوبر الغراء
اكتشاف ديفيس أن طاقة القفز مرتبطة بقوة الموصلية الفائقة ، والتي نُشرت هذا الشهر في الجريدة الرسمية وقائع الاكاديمية الوطنية للعلوم، يشير بقوة إلى أن التبادل الفائق هو الغراء الفائق الذي يتيح الموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية.
"إنه عمل رائع لأنه يجلب تقنية جديدة لإظهار المزيد من أن هذه الفكرة لها أرجل" ، قال علي يزداني، عالم فيزياء في جامعة برينستون طور تقنيات مماثلة لدراسة cuprates و حالات غريبة أخرى من الموصلية الفائقة بالتوازي مع مجموعة ديفيس.
لكن يزداني وباحثون آخرون يحذرون من أنه لا تزال هناك فرصة ، مهما كانت بعيدة ، أن قوة الغراء وسهولة التنقل بخطى ثابتة لسبب آخر ، وأن المجال يقع في فخ الارتباط التقليدي المتساوي. بالنسبة إلى يزداني ، فإن الطريقة الحقيقية لإثبات العلاقة السببية هي تسخير التبادل الفائق لهندسة بعض الموصلات الفائقة الجديدة البراقة.
"إذا انتهى ، فلنزيد Tc"، في إشارة إلى درجة الحرارة الحرجة.
Superexchange ليست فكرة جديدة ، لذلك فكر الكثير من الباحثين بالفعل كيفية تحصينها، ربما عن طريق سحق شبكة النحاس والأكسجين أو تجربة أزواج أخرى من العناصر. قال تريمبلاي: "هناك بالفعل تنبؤات على الطاولة".
بالطبع ، رسم المخططات الذرية وتصميم المواد التي تفعل ما يريده الباحثون ليس سريعًا أو سهلًا. علاوة على ذلك ، ليس هناك ما يضمن أنه حتى الكوبرات المصممة حسب الطلب ستحقق درجات حرارة حرجة أعلى بكثير من تلك الخاصة بالكوبريتات التي نعرفها بالفعل. يمكن أن يكون لقوة التبادل الفائق سقف صلب ، تمامًا كما تبدو الاهتزازات الذرية. بعض الباحثين التحقيق مع المرشحين لأنواع مختلفة تمامًا وربما أقوى من الغراء. آحرون الاستفادة من الضغوط غير الأرضية لدعم الاهتزازات الذرية التقليدية.
لكن نتيجة ديفيس يمكن أن تنشط وتركز جهود الكيميائيين وعلماء المواد الذين يهدفون إلى رفع الموصلات الفائقة النحاسية إلى ارتفاعات أعلى.
قال شماليان: "إبداع الأشخاص الذين يصممون المواد لا حدود له". "كلما زاد ثقتنا بأن الآلية صحيحة ، كلما كان من الطبيعي زيادة الاستثمار في هذه الآلية."
