Jahrzehntelang hat eine Familie von Kristallen die Physiker mit ihrer verblüffenden Fähigkeit, bei weitaus wärmeren Temperaturen als andere Materialien zu supraleiten – das heißt, einen elektrischen Strom ohne Widerstand zu leiten – verblüfft.
Jetzt hat ein Experiment Jahre in der Herstellung direkt visualisierte Supraleitung auf atomarer Ebene in einem dieser Kristalle und enthüllte schließlich die Ursache des Phänomens zur Zufriedenheit fast aller. Elektronen scheinen sich gegenseitig in einen reibungslosen Fluss zu schubsen, auf eine Weise, die erstmals von einer ehrwürdigen Theorie vorgeschlagen wurde, die fast so alt ist wie das Mysterium selbst.
„Dieser Beweis ist wirklich schön und direkt“, sagte er Subir Sachdev, ein Physiker an der Harvard University, der Theorien über die als Cuprate bekannten Kristalle aufstellt und nicht an dem Experiment beteiligt war.
„Ich arbeite seit 25 Jahren an diesem Problem und hoffe, dass ich es gelöst habe“, sagte er JC Seamus Davis, der das neue Experiment an der Universität Oxford leitete. „Ich bin absolut begeistert.“
Die neue Messung stimmt mit einer auf der Theorie basierenden Vorhersage überein, die die Cuprat-Supraleitung einem Quantenphänomen namens Superexchange zuschreibt. „Ich bin erstaunt über die quantitative Übereinstimmung“, sagte er André-Marie Tremblay, ein Physiker an der University of Sherbrooke in Kanada und Leiter der Gruppe, die letztes Jahr die Vorhersage gemacht hat.
Die Forschung treibt das ewige Bestreben des Fachgebiets voran: die Cuprat-Supraleitung zu nehmen und ihren zugrunde liegenden Mechanismus zu stärken, um weltverändernde Materialien zu entwickeln, die in der Lage sind, Elektrizität bei noch höheren Temperaturen zu supraleiten. Supraleitung bei Raumtemperatur würde alltägliche Elektronik, Stromleitungen und mehr perfekt effizient machen, obwohl das Ziel noch in weiter Ferne liegt.
„Wenn diese Klasse von Theorien richtig ist“, sagte Davis und bezog sich auf die Superaustauschtheorie, „sollte es möglich sein, synthetische Materialien mit verschiedenen Atomen an verschiedenen Orten zu beschreiben“, für die die kritische Temperatur höher ist.
Zwei Kleber
Physiker haben mit der Supraleitung zu kämpfen, seit sie 1911 erstmals beobachtet wurde. Die niederländische Wissenschaftlerin Heike Kamerlingh Onnes und Mitarbeiter kühlten einen Quecksilberdraht auf etwa 4 Kelvin (dh 4 Grad über dem absoluten Nullpunkt) ab und beobachteten mit Erstaunen, wie der elektrische Widerstand auf Null absank . Elektronen schlängelten sich geschickt durch den Draht, ohne Wärme zu erzeugen, wenn sie mit seinen Atomen kollidierten – der Ursprung des Widerstands. Es würde „ein Leben voller Anstrengungen“ erfordern, sagte Davis, um herauszufinden, wie.
Aufbauend auf wichtigen experimentellen Erkenntnissen aus der Mitte der 1950er Jahre, John Bardeen, Leon Cooper und John Robert Schrieffer veröffentlichten ihre mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Theorie dieser konventionellen Form der Supraleitung im Jahr 1957. Die „BCS-Theorie“, wie sie heute bekannt ist, besagt, dass Schwingungen, die sich durch Reihen von Atomen bewegen, Elektronen zusammen „kleben“. Wenn ein negativ geladenes Elektron zwischen Atomen fliegt, zieht es die positiv geladenen Atomkerne an und löst eine Welle aus. Diese Welle zieht ein zweites Elektron an. Die beiden Elektronen überwinden ihre heftige elektrische Abstoßung und bilden ein „Cooper-Paar“.
„Das ist eine wahre List der Natur“, sagte er Jörg Schmalian, Physiker am Karlsruher Institut für Technologie in Deutschland. „Dieses Cooper-Paar soll nicht passieren.“
Wenn Elektronen koppeln, machen weitere Quantentricks die Supraleitung unvermeidlich. Normalerweise können sich Elektronen nicht überlappen, aber Cooper-Paare folgen einer anderen quantenmechanischen Regel; sie wirken wie Lichtteilchen, von denen sich beliebig viele auf einem Stecknadelkopf ansammeln können. Viele Cooper-Paare kommen zusammen und verschmelzen zu einem einzigen quantenmechanischen Zustand, einer „Superflüssigkeit“, die die Atome, zwischen denen sie sich bewegt, nicht mehr wahrnimmt.
Die BCS-Theorie erklärte auch, warum Quecksilber und die meisten anderen metallischen Elemente supraleitend werden, wenn sie nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden, dies aber oberhalb von einigen Kelvin nicht mehr tut. Atomare Wellen sind der schwächste Klebstoff. Drehen Sie die Hitze auf, und es wackelt Atome und wäscht die Gitterschwingungen aus.
Dann stießen die IBM-Forscher Georg Bednorz und Alex Müller 1986 auf einen stärkeren Elektronenkleber in Cupraten: Kristalle, die aus Schichten aus Kupfer und Sauerstoff bestehen, die zwischen Schichten anderer Elemente eingestreut sind. Nachdem sie beobachtete einen Cuprat Bei 30 Kelvin supraleitend, fanden die Forscher bald andere, die supraleitend waren oben 100, und dann oben 130 Kelvin.
Der Durchbruch löste eine weit verbreitete Anstrengung aus, den zäheren Kleber zu verstehen, der für diese „Hochtemperatur“-Supraleitung verantwortlich ist. Vielleicht bündelten sich Elektronen, um fleckige, kräuselnde Ladungskonzentrationen zu erzeugen. Oder vielleicht interagierten sie durch den Spin, eine intrinsische Eigenschaft des Elektrons, die es in eine bestimmte Richtung ausrichtet, wie ein Magnet in Quantengröße.
Der verstorbene Philip Anderson, ein amerikanischer Nobelpreisträger und Allround-Legende in der Physik der kondensierten Materie, stellte sich vor eine Theorie Nur wenige Monate nach der Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleitung. Im Herzen des Klebers, so argumentierte er, liege ein zuvor beschriebenes Quantenphänomen namens Superaustausch – eine Kraft, die aus der Fähigkeit von Elektronen entsteht, zu springen. Wenn Elektronen zwischen mehreren Orten hin- und herspringen können, wird ihre Position zu jedem Zeitpunkt ungewiss, während ihr Impuls genau definiert wird. Ein schärferer Impuls kann ein niedrigerer Impuls und daher ein Zustand niedrigerer Energie sein, den Teilchen natürlicherweise suchen.
Das Ergebnis ist, dass Elektronen Situationen suchen, in denen sie hüpfen können. Ein Elektron zeigt beispielsweise lieber nach unten, wenn sein Nachbar nach oben zeigt, da diese Unterscheidung es den beiden Elektronen ermöglicht, zwischen denselben Atomen hin und her zu springen. Auf diese Weise erzeugt der Superaustausch in einigen Materialien ein regelmäßiges Auf-Ab-Auf-Ab-Muster von Elektronenspins. Es stupst auch Elektronen an, um einen bestimmten Abstand voneinander entfernt zu bleiben. (Zu weit und sie können nicht springen.) Es ist diese effektive Anziehungskraft, von der Anderson glaubte, dass sie starke Cooper-Paare bilden könnte.
Experimentalisten hatten lange Mühe, Theorien wie die von Anderson zu testen, da Materialeigenschaften, die sie messen konnten, wie Reflexionsvermögen oder Widerstand, nur grobe Zusammenfassungen des kollektiven Verhaltens von Billionen von Elektronen, nicht von Paaren, lieferten.
„Keine der traditionellen Techniken der Physik der kondensierten Materie wurde jemals entwickelt, um ein Problem wie dieses zu lösen“, sagte Davis.
Super-Experiment
Davis, ein irischer Physiker mit Labors in Oxford, der Cornell University, dem University College Cork und der International Max Planck Research School for Chemistry and Physics of Quantum Materials in Dresden, hat nach und nach Werkzeuge entwickelt, um Cuprate auf atomarer Ebene zu untersuchen. Frühere Experimente maßen die Stärke der Supraleitfähigkeit eines Materials, indem sie es abkühlten, bis es die kritische Temperatur erreichte, bei der die Supraleitfähigkeit begann – wobei wärmere Temperaturen auf stärkeren Klebstoff hindeuteten. Aber im Laufe des letzten Jahrzehnts hat Davis' Gruppe einen Weg verfeinert, um den Klebstoff um einzelne Atome herum zu stechen.
Sie modifizierten eine etablierte Technik namens Rastertunnelmikroskopie, bei der eine Nadel über eine Oberfläche gezogen wird, um den Strom der Elektronen zu messen, die zwischen den beiden hin- und herspringen. Indem sie die normale Metallspitze der Nadel gegen eine supraleitende Spitze austauschten und sie über ein Cuprat schwenkten, maßen sie einen Strom von Elektronenpaaren und nicht von Einzelpersonen. Auf diese Weise konnten sie die Dichte von Cooper-Paaren abbilden, die jedes Atom umgeben – ein direktes Maß für die Supraleitung. Sie veröffentlichten das erste Bild von Schwärme von Cooper-Paaren in Natur .
Im selben Jahr wurde ein Experiment von chinesischen Physikern durchgeführt ein wichtiges Beweisstück Unterstützung von Andersons Superaustauschtheorie: Sie zeigten, dass je leichter es für Elektronen ist, zwischen Kupfer- und Sauerstoffatomen in einem bestimmten Cuprat zu springen, desto höher die kritische Temperatur des Cuprats (und desto stärker sein Klebstoff). Davis und seine Kollegen versuchten, die beiden Ansätze in einem einzigen Cupratkristall zu kombinieren, um die Natur des Klebers schlüssiger aufzudecken.
Der „Aha“-Moment kam 2020 bei einem Gruppentreffen über Zoom, sagte er. Die Forscher erkannten, dass ein Cuprat namens Wismut-Strontium-Kalzium-Kupfer-Oxid (BSCCO oder kurz „Bisko“) eine besondere Eigenschaft hatte, die ihr Traumexperiment möglich machte. Bei BSCCO werden die Schichten aus Kupfer- und Sauerstoffatomen von den umgebenden Atomschichten in ein wellenförmiges Muster gequetscht. Dadurch werden die Abstände zwischen bestimmten Atomen verändert, was sich wiederum auf die Energie auswirkt, die zum Hüpfen benötigt wird. Theoretikern, die ihre Gitter gerne aufgeräumt mögen, bereitet die Variation Kopfschmerzen, aber den Experimentatoren lieferte sie genau das, was sie brauchten: eine Reihe von hüpfenden Energien in einer Probe.
Sie verwendeten ein herkömmliches Rastermikroskop mit einer Metallspitze, um Elektronen an einige Atome zu heften und sie von anderen abzureißen, wodurch die hüpfenden Energien über das Cuprat abgebildet wurden. Dann tauschten sie eine Cupratspitze aus, um die Dichte der Cooper-Paare um jedes Atom herum zu messen.
Die beiden Karten lagen nebeneinander. Wo Elektronen nur schwer hüpfen konnten, war die Supraleitung schwach. Wo Hüpfen einfach war, war die Supraleitung stark. Die Beziehung zwischen Sprungenergie und Cooper-Paar-Dichte stimmte eng mit einem ausgeklügelten überein Numerische Vorhersage aus dem Jahr 2021 von Tremblay und Kollegen, die argumentierten, dass diese Beziehung aus Andersons Theorie folgen sollte.
Superexchange Sekundenkleber
Davis' Entdeckung, dass Hüpfenergie mit der Stärke der Supraleitung zusammenhängt, veröffentlicht diesen Monat in der Proceedings of the National Academy of Sciences, impliziert stark, dass Superaustausch der Superkleber ist, der Hochtemperatur-Supraleitung ermöglicht.
„Es ist ein schönes Stück Arbeit, weil es eine neue Technik einbringt, um weiter zu zeigen, dass diese Idee Beine hat“, sagte er Ali Yazdani, ein Physiker an der Princeton University, der ähnliche Techniken zur Untersuchung von Cupraten entwickelt hat andere exotische Fälle der Supraleitung parallel zur Davis-Gruppe.
Aber Yazdani und andere Forscher warnen davor, dass es immer noch eine Chance gibt, auch wenn sie noch so gering ist, dass sich die Klebestärke und die Leichtigkeit des Hüpfens aus einem anderen Grund im Gleichschritt bewegen und dass das Feld in die klassische Korrelation-gleich-Kausalität-Falle tappt. Für Yazdani besteht der wirkliche Weg, einen kausalen Zusammenhang zu beweisen, darin, den Superaustausch zu nutzen, um einige auffällige neue Supraleiter zu entwickeln.
„Wenn es fertig ist, steigern wir uns Tc“, sagte er und bezog sich dabei auf die kritische Temperatur.
Superexchange ist keine neue Idee, also haben viele Forscher bereits darüber nachgedacht wie man es festigt, vielleicht durch weiteres Zusammendrücken des Kupfer- und Sauerstoffgitters oder durch Experimentieren mit anderen Elementpaaren. „Es liegen bereits Vorhersagen auf dem Tisch“, sagte Tremblay.
Natürlich ist das Skizzieren von atomaren Bauplänen und das Entwerfen von Materialien, die das tun, was Forscher wollen, weder schnell noch einfach. Darüber hinaus gibt es keine Garantie dafür, dass selbst maßgeschneiderte Cuprate kritische Temperaturen erreichen, die viel höher sind als die der Cuprate, die wir bereits kennen. Die Stärke des Superaustauschs könnte eine harte Obergrenze haben, genau wie es atomare Schwingungen zu sein scheinen. Einige Forscher sind Kandidaten untersuchen für ganz andere und eventuell noch stärkere Leimarten. Andere überirdischen Druck nutzen um die traditionellen atomaren Schwingungen zu stützen.
Aber das Ergebnis von Davis könnte die Bemühungen von Chemikern und Materialwissenschaftlern anregen und fokussieren, die darauf abzielen, Cuprat-Supraleiter zu größeren Höhen zu heben.
„Die Kreativität von Menschen, die Materialien entwerfen, ist grenzenlos“, sagte Schmalian. „Je überzeugter wir davon sind, dass ein Mechanismus richtig ist, desto natürlicher ist es, weiter in diesen zu investieren.“
