I årtier har en familie af krystaller overrumplet fysikere med sin forvirrende evne til at superlede - det vil sige bære en elektrisk strøm uden nogen modstand - ved langt varmere temperaturer end andre materialer.
Nu har et eksperiment år undervejs direkte visualiseret superledning på atomskalaen i en af disse krystaller, og endelig afslørede årsagen til fænomenet til næsten alles tilfredshed. Elektroner ser ud til at skubbe hinanden ind i en friktionsfri strøm på en måde, der først blev foreslået af en ærværdig teori, næsten lige så gammel som mysteriet selv.
"Dette bevis er virkelig smukt og direkte," sagde Subir Sachdev, en fysiker ved Harvard University, der bygger teorier om krystallerne, kendt som cuprates, og var ikke involveret i eksperimentet.
"Jeg har arbejdet på dette problem i 25 år, og jeg håber, jeg har løst det," sagde JC Séamus Davis, der ledede det nye eksperiment på University of Oxford. "Jeg er helt begejstret."
Den nye måling matcher en forudsigelse baseret på teorien, som tilskriver cuprat-superledningsevne til et kvantefænomen kaldet superudveksling. "Jeg er overrasket over den kvantitative aftale," sagde André-Marie Tremblay, en fysiker ved University of Sherbrooke i Canada og lederen af den gruppe, der lavede forudsigelsen sidste år.
Forskningen fremmer feltets flerårige ambition: at tage cuprate-superledning og styrke dens underliggende mekanisme for at designe verdensforandrende materialer, der er i stand til at superledende elektricitet ved endnu højere temperaturer. Rumtemperatur-superledning ville bringe perfekt effektivitet til hverdagselektronik, elledninger og mere, selvom målet forbliver fjernt.
"Hvis denne klasse af teori er korrekt," sagde Davis med henvisning til superudvekslingsteorien, "bør det være muligt at beskrive syntetiske materialer med forskellige atomer på forskellige steder", for hvilke den kritiske temperatur er højere.
To lime
Fysikere har kæmpet med superledning, siden den først blev observeret i 1911. Den hollandske videnskabsmand Heike Kamerlingh Onnes og samarbejdspartnere afkølede en kviksølvtråd til omkring 4 kelvin (det vil sige 4 grader over det absolutte nulpunkt) og så med forbløffelse på, hvordan den elektriske modstand styrtdykkede til nul . Elektroner bevægede sig behændigt gennem ledningen uden at generere varme, da de kolliderede med dens atomer - oprindelsen til modstand. Det ville tage "en livslang indsats," sagde Davis, at finde ud af hvordan.
John Bardeen, Leon Cooper og John Robert Schrieffer bygger på nøgleeksperimentel indsigt fra midten af 1950'erne udgivet deres nobelprisvindende teori af denne konventionelle form for superledning i 1957. "BCS-teori", som den er kendt i dag, hævder, at vibrationer, der bevæger sig gennem rækker af atomer, "limer" elektroner sammen. Når en negativt ladet elektron flyver mellem atomer, trækker den de positivt ladede atomkerner mod sig og sætter en krusning i gang. Den krusning trækker en anden elektron ind. Ved at overvinde deres voldsomme elektriske frastødning danner de to elektroner et "Cooper-par".
"Det er sandt trick af naturen," sagde Jörg Schmalian, fysiker ved Karlsruhe Institute of Technology i Tyskland. "Dette Cooper-par skal ikke ske."
Når elektroner kobles sammen, gør yderligere kvantetricks superledning uundgåelig. Normalt kan elektroner ikke overlappe hinanden, men Cooper-par følger en anden kvantemekanisk regel; de virker som lyspartikler, hvoraf et hvilket som helst antal kan hobe sig op på hovedet af en nål. Mange Cooper-par kommer sammen og smelter sammen til en enkelt kvantemekanisk tilstand, en "superfluid", der bliver uvidende om de atomer, den passerer imellem.
BCS-teori forklarede også, hvorfor kviksølv og de fleste andre metalliske grundstoffer superleder, når de afkøles tæt på det absolutte nulpunkt, men holder op med at gøre det over et par kelvin. Atomiske krusninger giver den svageste lim. Skru op for varmen, og det rykker atomer og skyller gittervibrationerne ud.
Så i 1986 faldt IBM-forskerne Georg Bednorz og Alex Müller over en stærkere elektronlim i cuprates: krystaller bestående af plader af kobber og ilt spredt mellem lag af andre grundstoffer. Efter de observerede en cuprat superledende ved 30 kelvin fandt forskerne hurtigt frem til andre, der superleder over 100, og derefter ovenfor 130 kelvin.
Gennembruddet lancerede en udbredt indsats for at forstå den hårdere lim, der er ansvarlig for denne "højtemperatur" superledning. Måske er elektroner bundet sammen for at skabe pletvis, rislende ladningskoncentrationer. Eller måske interagerede de gennem spin, en iboende egenskab ved elektronen, der orienterer den i en bestemt retning, som en magnet i kvantestørrelse.
Den afdøde Philip Anderson, en amerikansk nobelprismodtager og legende i det kondenserede stofs fysik, fremsatte en teori blot måneder efter at højtemperatursuperledning blev opdaget. I hjertet af limen, hævdede han, lå et tidligere beskrevet kvantefænomen kaldet superudveksling - en kraft, der opstår fra elektronernes evne til at hoppe. Når elektroner kan hoppe mellem flere steder, bliver deres position på et hvilket som helst tidspunkt usikker, mens deres momentum bliver præcist defineret. Et skarpere momentum kan være et lavere momentum, og derfor en lavere energitilstand, som partikler naturligt opsøger.
Resultatet er, at elektroner søger situationer, hvor de kan hoppe. En elektron foretrækker at pege ned, når dens nabo peger op, for eksempel, da denne skelnen tillader de to elektroner at hoppe mellem de samme atomer. På denne måde etablerer superudveksling et regulært op-ned-op-ned-mønster af elektronspin i nogle materialer. Det skubber også elektroner til at holde sig en vis afstand fra hinanden. (For langt, og de kan ikke hoppe.) Det er denne effektive attraktion, som Anderson troede kunne danne stærke Cooper-par.
Eksperimentalister har længe kæmpet for at teste teorier som Andersons, da materielle egenskaber, som de kunne måle, såsom reflektivitet eller modstand, kun tilbød grove opsummeringer af trillioner af elektroners kollektive adfærd, ikke par.
"Ingen af de traditionelle teknikker inden for kondenseret stoffysik blev nogensinde designet til at løse et problem som dette," sagde Davis.
Super-eksperiment
Davis, en irsk fysiker med laboratorier ved Oxford, Cornell University, University College Cork og International Max Planck Research School for Chemistry and Physics of Quantum Materials i Dresden, har efterhånden udviklet værktøjer til at granske cuprates på atomniveau. Tidligere eksperimenter målte styrken af et materiales superledning ved at afkøle det, indtil det nåede den kritiske temperatur, hvor superledning begyndte - med varmere temperaturer, der indikerer stærkere lim. Men i løbet af det sidste årti har Davis' gruppe raffineret en måde at presse limen rundt om individuelle atomer.
De modificerede en etableret teknik kaldet scanning tunneling mikroskopi, som trækker en nål hen over en overflade og måler strømmen af elektroner, der springer mellem de to. Ved at bytte nålens normale metalliske spids til en superledende spids og feje den hen over en cuprate, målte de en strøm af elektronpar i stedet for individer. Dette lod dem kortlægge tætheden af Cooper-par, der omgiver hvert atom - et direkte mål for superledning. De offentliggjorde det første billede af sværme af Cooper-par in Natur i 2016.
Samme år leverede et eksperiment af kinesiske fysikere et væsentligt bevis understøtter Andersons superudvekslingsteori: De viste, at jo nemmere det er for elektroner at hoppe mellem kobber- og oxygenatomer i et givet cuprat, jo højere er cupratens kritiske temperatur (og dermed jo stærkere er limen). Davis og hans kolleger forsøgte at kombinere de to tilgange i en enkelt cuprate-krystal for mere endegyldigt at afsløre limens natur.
"Aha"-øjeblikket kom i et gruppemøde over Zoom i 2020, sagde han. Forskerne indså, at et cuprat kaldet bismuth strontium calcium kobberoxid (BSCCO eller "bisko" for kort) havde en ejendommelig egenskab, der gjorde deres drømmeeksperiment muligt. I BSCCO bliver lagene af kobber og oxygenatomer presset ind i et bølget mønster af de omgivende ark af atomer. Dette varierer afstandene mellem visse atomer, hvilket igen påvirker den energi, der kræves for at hoppe. Variationen forårsager hovedpine for teoretikere, som godt kan lide, at deres gitter er ryddelige, men det gav eksperimentalisterne præcis, hvad de havde brug for: en række hoppende energier i én prøve.
De brugte et traditionelt scanningsmikroskop med en metalspids til at klæbe elektroner på nogle atomer og plukke dem fra andre, og kortlægge hoppeenergierne på tværs af cupraten. De byttede derefter i en cuprate-spids for at måle tætheden af Cooper-par omkring hvert atom.
De to kort stod på linje. Hvor elektroner kæmpede for at hoppe, var superledningsevnen svag. Hvor det var let at hoppe, var superledningsevnen stærk. Forholdet mellem hoppeenergi og Cooper-partæthed matchede nøje en sofistikeret numerisk forudsigelse fra 2021 af Tremblay og kolleger, som argumenterede for, at dette forhold skulle følge af Andersons teori.
Superexchange Super Lim
Davis' konstatering af, at hoppeenergi er forbundet med superledningsstyrke, offentliggjort i denne måned i Proceedings of National Academy of Sciences, antyder stærkt, at superudveksling er superlimen, der muliggør superledning ved høj temperatur.
"Det er et godt stykke arbejde, fordi det bringer en ny teknik til yderligere at vise, at denne idé har ben," sagde Ali Yazdani, en fysiker ved Princeton University, der har udviklet lignende teknikker til at studere cuprates og andre eksotiske tilfælde af superledning parallelt med Davis' gruppe.
Men Yazdani og andre forskere advarer om, at der stadig er en chance, uanset hvor fjernt, at limstyrken og letheden ved at hoppe bevæger sig i lås af en eller anden grund, og at feltet falder i den klassiske korrelation-lig med-årsagsfælde. For Yazdani vil den rigtige måde at bevise en årsagssammenhæng være at udnytte superudveksling til at konstruere nogle prangende nye superledere.
"Hvis det er færdigt, så lad os øge Tc" sagde han med henvisning til den kritiske temperatur.
Superexchange er ikke en ny idé, så mange forskere har allerede tænkt sig om hvordan man befæster det, måske ved yderligere at klemme kobber- og iltgitteret eller eksperimentere med andre par af grundstoffer. "Der er allerede forudsigelser på bordet," sagde Tremblay.
Selvfølgelig er det hverken hurtigt eller nemt at skitsere atomare tegninger og designe materialer, der gør, hvad forskere ønsker. Desuden er der ingen garanti for, at selv skræddersyede cuprater vil opnå kritiske temperaturer meget højere end dem for de cuprater, vi allerede kender. Styrken af superexchange kunne have et hårdt loft, ligesom atomvibrationer synes at have. Nogle forskere er undersøger kandidater til helt andre og potentielt endnu stærkere limtyper. Andre udnytte ujordiske pres at støtte de traditionelle atomare vibrationer.
Men Davis' resultat kunne give energi og fokusere indsatsen fra kemikere og materialeforskere, som har til formål at løfte cuprate-superledere til større højder.
"Kreativiteten hos folk, der designer materialer, er grænseløs," sagde Schmalian. "Jo mere sikre vi er på, at en mekanisme er rigtig, jo mere naturligt er det at investere yderligere i denne."
