Για δεκαετίες, μια οικογένεια κρυστάλλων έχει παραπλανήσει τους φυσικούς με την συγκεχυμένη ικανότητά της να υπεραγώγει - δηλαδή να μεταφέρει ηλεκτρικό ρεύμα χωρίς αντίσταση - σε πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες από άλλα υλικά.
Τώρα, ένα πείραμα χρόνια στην κατασκευή έχει απευθείας οπτικοποιημένη υπεραγωγιμότητα στην ατομική κλίμακα σε έναν από αυτούς τους κρυστάλλους, αποκαλύπτοντας τελικά την αιτία του φαινομένου προς ικανοποίηση σχεδόν όλων. Τα ηλεκτρόνια φαίνεται να σπρώχνουν το ένα το άλλο σε μια ροή χωρίς τριβές με τρόπο που προτάθηκε αρχικά από μια αξιοσέβαστη θεωρία, σχεδόν τόσο παλιά όσο το ίδιο το μυστήριο.
«Αυτά τα στοιχεία είναι πραγματικά όμορφα και άμεσα», είπε Σουμπίρ Σάτσντεφ, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ που χτίζει θεωρίες για τους κρυστάλλους, γνωστούς ως cuprates, και δεν συμμετείχε στο πείραμα.
«Δουλεύω πάνω σε αυτό το πρόβλημα για 25 χρόνια και ελπίζω να το έχω λύσει», είπε JC Séamus Davis, ο οποίος ηγήθηκε του νέου πειράματος στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης. «Είμαι απόλυτα ενθουσιασμένος».
Η νέα μέτρηση ταιριάζει με μια πρόβλεψη που βασίζεται στη θεωρία, η οποία αποδίδει την υπεραγωγιμότητα του χαλκού σε ένα κβαντικό φαινόμενο που ονομάζεται υπερανταλλαγή. «Είμαι έκπληκτος από την ποσοτική συμφωνία», είπε André-Marie Tremblay, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Sherbrooke στον Καναδά και επικεφαλής της ομάδας που έκανε την πρόβλεψη πέρυσι.
Η έρευνα προάγει την πολυετή φιλοδοξία του πεδίου: να λάβει την υπεραγωγιμότητα του χαλκού και να ενισχύσει τον υποκείμενο μηχανισμό της, προκειμένου να σχεδιαστούν υλικά που αλλάζουν τον κόσμο ικανά να υπεραγώγουν ηλεκτρική ενέργεια σε ακόμη υψηλότερες θερμοκρασίες. Η υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου θα έφερνε τέλεια απόδοση στα καθημερινά ηλεκτρονικά, τα καλώδια ρεύματος και πολλά άλλα, αν και ο στόχος παραμένει μακρινός.
«Εάν αυτή η κατηγορία θεωρίας είναι σωστή», είπε ο Ντέιβις, αναφερόμενος στη θεωρία της υπερανταλλαγής, «θα πρέπει να είναι δυνατό να περιγραφούν συνθετικά υλικά με διαφορετικά άτομα σε διαφορετικές θέσεις» για τα οποία η κρίσιμη θερμοκρασία είναι υψηλότερη.
Δύο κόλλες
Οι φυσικοί έχουν παλέψει με την υπεραγωγιμότητα από τότε που παρατηρήθηκε για πρώτη φορά το 1911. Ο Ολλανδός επιστήμονας Heike Kamerlingh Onnes και οι συνεργάτες του ψύξαν ένα σύρμα υδραργύρου σε περίπου 4 kelvins (δηλαδή 4 μοίρες πάνω από το απόλυτο μηδέν) και παρακολούθησαν με έκπληξη καθώς η ηλεκτρική αντίσταση έπεφτε στο μηδέν . Τα ηλεκτρόνια περνούσαν επιδέξια το δρόμο τους μέσα από το σύρμα χωρίς να παράγουν θερμότητα όταν συγκρούστηκαν με τα άτομά του - την αρχή της αντίστασης. Θα χρειαζόταν «μια ζωή προσπάθεια», είπε ο Ντέιβις, για να καταλάβουμε πώς.
Βασιζόμενοι σε βασικές πειραματικές γνώσεις από τα μέσα της δεκαετίας του 1950, οι John Bardeen, Leon Cooper και John Robert Schrieffer δημοσίευσαν τη θεωρία τους που κέρδισε το βραβείο Νόμπελ αυτής της συμβατικής μορφής υπεραγωγιμότητας το 1957. Η «θεωρία BCS», όπως είναι γνωστή σήμερα, υποστηρίζει ότι οι δονήσεις που κινούνται μέσα από σειρές ατόμων «κολλούν» ηλεκτρόνια μεταξύ τους. Καθώς ένα αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόνιο πετά μεταξύ ατόμων, έλκει τους θετικά φορτισμένους ατομικούς πυρήνες προς το μέρος του και προκαλεί έναν κυματισμό. Αυτός ο κυματισμός τραβάει ένα δεύτερο ηλεκτρόνιο. Ξεπερνώντας τη σφοδρή ηλεκτρική τους απώθηση, τα δύο ηλεκτρόνια σχηματίζουν ένα «ζεύγος Cooper».
«Είναι αληθινό κόλπο της φύσης», είπε Jörg Schmalian, φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καρλσρούης στη Γερμανία. «Αυτό το ζευγάρι Κούπερ δεν υποτίθεται ότι θα συμβεί».
Όταν τα ηλεκτρόνια συζευγνύονται, η περαιτέρω κβαντική απάτη καθιστά αναπόφευκτη την υπεραγωγιμότητα. Κανονικά, τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να επικαλύπτονται, αλλά τα ζεύγη Cooper ακολουθούν έναν διαφορετικό κανόνα κβαντομηχανικής. δρουν σαν σωματίδια φωτός, οποιοσδήποτε αριθμός από αυτά μπορεί να συσσωρευτεί στην κεφαλή μιας καρφίτσας. Πολλά ζεύγη Cooper ενώνονται και συγχωνεύονται σε μια ενιαία κβαντομηχανική κατάσταση, ένα «υπερρευστό», που αγνοεί τα άτομα από τα οποία διέρχεται.
Η θεωρία του BCS εξήγησε επίσης γιατί ο υδράργυρος και τα περισσότερα άλλα μεταλλικά στοιχεία υπεραγωγούνται όταν ψύχονται κοντά στο απόλυτο μηδέν, αλλά σταματούν να το κάνουν πάνω από μερικά Κέλβιν. Οι ατομικοί κυματισμοί δημιουργούν τις πιο αδύναμες κόλλες. Δυναμώστε τη θερμότητα και τινάζει τα άτομα και ξεπλένει τους κραδασμούς του πλέγματος.
Στη συνέχεια, το 1986, οι ερευνητές της IBM Georg Bednorz και Alex Müller σκόνταψαν πάνω σε μια ισχυρότερη κόλλα ηλεκτρονίων σε χαλκό: κρύσταλλοι που αποτελούνταν από φύλλα χαλκού και οξυγόνου διάσπαρτα ανάμεσα σε στρώματα άλλων στοιχείων. Μετά από αυτούς παρατήρησε ένα χάλκινο υπεραγώγιμα στα 30 Κέλβιν, οι ερευνητές βρήκαν σύντομα άλλους που υπεραγωγίζουν πάνω από το 100, και μετά παραπάνω 130 φάλαινες.
Η ανακάλυψη ξεκίνησε μια ευρεία προσπάθεια για την κατανόηση της σκληρότερης κόλλας που ευθύνεται για αυτή την υπεραγωγιμότητα «υψηλής θερμοκρασίας». Ίσως τα ηλεκτρόνια να συσσωρεύονται για να δημιουργήσουν αποσπασματικές, κυματιστικές συγκεντρώσεις φορτίου. Ή ίσως αλληλεπιδρούσαν μέσω του σπιν, μιας εγγενούς ιδιότητας του ηλεκτρονίου που το προσανατολίζει σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, όπως ένας μαγνήτης κβαντικού μεγέθους.
Ο αείμνηστος Φίλιπ Άντερσον, Αμερικανός νομπελίστας και θρύλος στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης, παρουσίασε μια θεωρία μόλις μήνες μετά την ανακάλυψη της υπεραγωγιμότητας σε υψηλή θερμοκρασία. Στην καρδιά της κόλλας, υποστήριξε, βρισκόταν ένα κβαντικό φαινόμενο που περιγράφηκε προηγουμένως που ονομάζεται υπερανταλλαγή - μια δύναμη που προκύπτει από την ικανότητα των ηλεκτρονίων να πηδούν. Όταν τα ηλεκτρόνια μπορούν να πηδήξουν μεταξύ πολλαπλών θέσεων, η θέση τους ανά πάσα στιγμή γίνεται αβέβαιη, ενώ η ορμή τους καθορίζεται με ακρίβεια. Μια πιο έντονη ορμή μπορεί να είναι μια χαμηλότερη ορμή, και επομένως μια κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας, την οποία τα σωματίδια αναζητούν φυσικά.
Το αποτέλεσμα είναι ότι τα ηλεκτρόνια αναζητούν καταστάσεις στις οποίες μπορούν να πηδήξουν. Ένα ηλεκτρόνιο προτιμά να δείχνει προς τα κάτω όταν ο γείτονάς του δείχνει προς τα πάνω, για παράδειγμα, αφού αυτή η διάκριση επιτρέπει στα δύο ηλεκτρόνια να πηδούν μεταξύ των ίδιων ατόμων. Με αυτόν τον τρόπο, η υπερανταλλαγή δημιουργεί ένα κανονικό μοτίβο πάνω-κάτω-επάνω-κάτω των σπιν ηλεκτρονίων σε ορισμένα υλικά. Επίσης ωθεί τα ηλεκτρόνια να παραμείνουν σε μια ορισμένη απόσταση μεταξύ τους. (Πολύ μακριά, και δεν μπορούν να πηδήξουν.) Είναι αυτή η αποτελεσματική έλξη που ο Άντερσον πίστευε ότι θα μπορούσε να σχηματίσει δυνατά ζευγάρια Κούπερ.
Οι πειραματιστές πάλευαν για πολύ καιρό να δοκιμάσουν θεωρίες όπως του Άντερσον, καθώς οι ιδιότητες υλικών που μπορούσαν να μετρήσουν, όπως η ανακλαστικότητα ή η αντίσταση, πρόσφεραν μόνο ακατέργαστες περιλήψεις της συλλογικής συμπεριφοράς τρισεκατομμυρίων ηλεκτρονίων, όχι ζευγών.
«Καμία από τις παραδοσιακές τεχνικές της φυσικής της συμπυκνωμένης ύλης δεν σχεδιάστηκε ποτέ για να λύσει ένα πρόβλημα όπως αυτό», είπε ο Ντέιβις.
Υπερ-Πείραμα
Ο Ντέιβις, ένας Ιρλανδός φυσικός με εργαστήρια στην Οξφόρδη, το Πανεπιστήμιο Κορνέλ, το Πανεπιστημιακό Κολλέγιο του Κορκ και τη Διεθνή Ερευνητική Σχολή Μαξ Πλανκ για τη Χημεία και τη Φυσική των Κβαντικών Υλικών στη Δρέσδη, ανέπτυξε σταδιακά εργαλεία για τον έλεγχο του χαλκού σε ατομικό επίπεδο. Προηγούμενα πειράματα μέτρησαν την αντοχή της υπεραγωγιμότητας ενός υλικού ψύχοντάς το μέχρι να φτάσει στην κρίσιμη θερμοκρασία όπου ξεκίνησε η υπεραγωγιμότητα - με τις θερμότερες θερμοκρασίες να υποδεικνύουν ισχυρότερη κόλλα. Όμως, την τελευταία δεκαετία, η ομάδα του Ντέιβις έχει τελειοποιήσει έναν τρόπο για να ωθεί την κόλλα γύρω από μεμονωμένα άτομα.
Τροποποίησαν μια καθιερωμένη τεχνική που ονομάζεται μικροσκοπία σάρωσης σήραγγας, η οποία σέρνει μια βελόνα σε μια επιφάνεια, μετρώντας το ρεύμα των ηλεκτρονίων που πηδούν μεταξύ των δύο. Ανταλλάσσοντας το κανονικό μεταλλικό άκρο της βελόνας με ένα υπεραγώγιμο άκρο και περνώντας το κατά μήκος ενός χαλκού, μέτρησαν ένα ρεύμα ζευγών ηλεκτρονίων και όχι ατόμων. Αυτό τους επέτρεψε να χαρτογραφήσουν την πυκνότητα των ζευγών Cooper που περιβάλλουν κάθε άτομο - ένα άμεσο μέτρο υπεραγωγιμότητας. Δημοσίευσαν την πρώτη εικόνα του σμήνη από ζευγάρια Cooper in Φύση στο 2016.
Την ίδια χρονιά, ένα πείραμα από Κινέζους φυσικούς παρείχε ένα σημαντικό αποδεικτικό στοιχείο υποστηρίζοντας τη θεωρία υπερανταλλαγής του Άντερσον: Έδειξαν ότι όσο πιο εύκολο είναι για τα ηλεκτρόνια να πηδήξουν μεταξύ ατόμων χαλκού και οξυγόνου σε ένα δεδομένο χαλκό, τόσο υψηλότερη είναι η κρίσιμη θερμοκρασία του χαλκού (και επομένως τόσο ισχυρότερη είναι η κόλλα του). Ο Ντέιβις και οι συνεργάτες του προσπάθησαν να συνδυάσουν τις δύο προσεγγίσεις σε έναν ενιαίο κρύσταλλο χαλκού για να αποκαλύψουν πιο οριστικά τη φύση της κόλλας.
Η στιγμή «αχα» ήρθε σε μια ομαδική συνάντηση στο Zoom το 2020, είπε. Οι ερευνητές συνειδητοποίησαν ότι ένας χαλκός που ονομάζεται βισμούθιο στρόντιο ασβέστιο οξείδιο του χαλκού (BSCCO, ή «bisko», για συντομία) είχε ένα περίεργο χαρακτηριστικό που έκανε δυνατό το πείραμα των ονείρων τους. Στο BSCCO, τα στρώματα των ατόμων χαλκού και οξυγόνου συμπιέζονται σε ένα κυματιστό σχέδιο από τα περιβάλλοντα φύλλα ατόμων. Αυτό μεταβάλλει τις αποστάσεις μεταξύ ορισμένων ατόμων, το οποίο με τη σειρά του επηρεάζει την ενέργεια που απαιτείται για να πηδήξει. Η παραλλαγή προκαλεί πονοκεφάλους στους θεωρητικούς, που τους αρέσει τα πλέγματα τους τακτοποιημένα, αλλά έδωσε στους πειραματιστές αυτό ακριβώς που χρειάζονταν: μια σειρά από ενέργειες αναπήδησης σε ένα δείγμα.
Χρησιμοποίησαν ένα παραδοσιακό μικροσκόπιο σάρωσης με μεταλλικό άκρο για να κολλήσουν ηλεκτρόνια σε ορισμένα άτομα και να τα αφαιρέσουν από άλλα, χαρτογραφώντας τις ενέργειες αναπήδησης κατά μήκος του χαλκού. Στη συνέχεια αντάλλαξαν σε ένα άκρο χαλκού για να μετρήσουν την πυκνότητα των ζευγών Cooper γύρω από κάθε άτομο.
Οι δύο χάρτες παρατάχθηκαν. Όπου τα ηλεκτρόνια δυσκολεύονταν να πηδήξουν, η υπεραγωγιμότητα ήταν ασθενής. Όπου το άλμα ήταν εύκολο, η υπεραγωγιμότητα ήταν ισχυρή. Η σχέση μεταξύ της ενέργειας αναπήδησης και της πυκνότητας του ζεύγους Cooper ταίριαζε πολύ με μια πολύπλοκη αριθμητική πρόβλεψη από το 2021 από τον Tremblay και τους συναδέλφους τους, οι οποίοι υποστήριξαν ότι αυτή η σχέση πρέπει να προκύπτει από τη θεωρία του Anderson.
Superexchange Super Glue
Η διαπίστωση του Ντέιβις ότι η ενέργεια αναπήδησης συνδέεται με τη δύναμη υπεραγωγιμότητας, που δημοσιεύτηκε αυτόν τον μήνα στο περιοδικό Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών, υπονοεί έντονα ότι η υπερανταλλαγή είναι η σούπερ κόλλα που επιτρέπει την υπεραγωγιμότητα σε υψηλή θερμοκρασία.
«Είναι μια ωραία δουλειά γιατί φέρνει μια νέα τεχνική για να δείξει περαιτέρω ότι αυτή η ιδέα έχει πόδια», είπε Αλί Γιαζντάνι, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον που έχει αναπτύξει παρόμοιες τεχνικές για τη μελέτη των cuprates και άλλες εξωτικές περιπτώσεις της υπεραγωγιμότητας παράλληλα με την ομάδα του Ντέιβις.
Αλλά ο Yazdani και άλλοι ερευνητές προειδοποιούν ότι υπάρχει ακόμα μια πιθανότητα, όσο απομακρυσμένη κι αν είναι, η δύναμη της κόλλας και η ευκολία του πηδήματος να κινούνται σε κλειστό βήμα για κάποιο άλλο λόγο, και ότι το πεδίο πέφτει στην κλασική παγίδα συσχέτισης-ίσον-αιτιότητας. Για τον Yazdani, ο πραγματικός τρόπος για να αποδείξει μια αιτιώδη σχέση θα είναι να αξιοποιήσει την υπερανταλλαγή για να δημιουργήσει μερικούς εντυπωσιακούς νέους υπεραγωγούς.
«Αν έχει τελειώσει, ας αυξηθεί Tc», είπε αναφερόμενος στην κρίσιμη θερμοκρασία.
Το Superexchange δεν είναι μια νέα ιδέα, γι' αυτό πολλοί ερευνητές το έχουν ήδη σκεφτεί πώς να το οχυρώσετε, ίσως με περαιτέρω συμπίεση του πλέγματος χαλκού και οξυγόνου ή πειραματισμού με άλλα ζεύγη στοιχείων. «Υπάρχουν ήδη προβλέψεις στο τραπέζι», είπε ο Tremblay.
Φυσικά, η σκιαγράφηση ατομικών σχεδίων και ο σχεδιασμός υλικών που κάνουν αυτό που θέλουν οι ερευνητές δεν είναι γρήγορο ή εύκολο. Επιπλέον, δεν υπάρχει καμία εγγύηση ότι ακόμη και τα κατεργασμένα cuprates θα επιτύχουν κρίσιμες θερμοκρασίες πολύ υψηλότερες από αυτές των cuprates που ήδη γνωρίζουμε. Η ισχύς της υπερανταλλαγής θα μπορούσε να έχει σκληρό ταβάνι, όπως φαίνεται να έχουν οι ατομικές δονήσεις. Μερικοί ερευνητές είναι διερευνώντας υποψηφίους για εντελώς διαφορετικούς και δυνητικά ακόμη ισχυρότερους τύπους κόλλας. Οι υπολοιποι μόχλευση απόκοσμες πιέσεις για να υποστηρίξει τις παραδοσιακές ατομικές δονήσεις.
Αλλά το αποτέλεσμα του Davis θα μπορούσε να ενεργοποιήσει και να επικεντρώσει τις προσπάθειες των χημικών και των επιστημόνων υλικών που στοχεύουν να ανυψώσουν τους υπεραγωγούς χαλκού σε μεγαλύτερα ύψη.
«Η δημιουργικότητα των ανθρώπων που σχεδιάζουν υλικά είναι απεριόριστη», είπε ο Schmalian. «Όσο πιο σίγουροι είμαστε ότι ένας μηχανισμός είναι σωστός, τόσο πιο φυσικό είναι να επενδύσουμε περαιτέρω σε αυτόν».
