Kristallide perekond on aastakümneid hämmastanud füüsikuid oma hämmastava võimega ülijuhtida – see tähendab kanda elektrivoolu ilma takistuseta – palju soojematel temperatuuridel kui muud materjalid.
Nüüd on aastaid kestnud eksperiment otse visualiseeritud ülijuhtivus aatomiskaalal ühes neist kristallidest, paljastades lõpuks peaaegu kõigi rahuloluks nähtuse põhjuse. Tundub, et elektronid lükkavad üksteist hõõrdumiseta voolu viisil, mille esmalt soovitas auväärne teooria, mis on peaaegu sama vana kui mõistatus ise.
"See tõend on tõesti ilus ja otsene," ütles Subir Sachdev, Harvardi ülikooli füüsik, kes ehitab kristallide teooriaid, mida tuntakse kupraatidena, ja ei osalenud katses.
"Olen selle probleemiga töötanud 25 aastat ja loodan, et olen selle lahendanud," ütles JC Seamus Davis, kes juhtis uut eksperimenti Oxfordi ülikoolis. "Ma olen täiesti vaimustuses."
Uus mõõtmine vastab teoorial põhinevale ennustusele, mis omistab kupraatülijuhtivuse kvantnähtusele, mida nimetatakse supervahetuseks. "Ma olen kvantitatiivsest kokkuleppest üllatunud," ütles André-Marie Tremblay, Kanada Sherbrooke'i ülikooli füüsik ja eelmisel aastal ennustuse teinud rühma juht.
Teadustöö edendab valdkonna igavest ambitsiooni: võtta kupraatülijuhtivus ja tugevdada selle aluseks olevat mehhanismi, et kujundada maailma muutvaid materjale, mis suudavad elektrit ülijuhtida veelgi kõrgematel temperatuuridel. Toatemperatuuril saavutatav ülijuhtivus tooks igapäevase elektroonika, elektriliinide ja muu täiusliku tõhususe, kuigi eesmärk jääb kaugele.
"Kui see teooriaklass on õige," ütles Davis, viidates supervahetuse teooriale, "peaks olema võimalik kirjeldada sünteetilisi materjale, millel on erinevates kohtades erinevad aatomid", mille kriitiline temperatuur on kõrgem.
Kaks liimi
Füüsikud on ülijuhtivusega võidelnud alates sellest, kui seda esmakordselt täheldati 1911. aastal. Hollandi teadlane Heike Kamerlingh Onnes ja kaastöölised jahutasid elavhõbedatraadi umbes 4 kelvinini (st 4 kraadi üle absoluutse nulli) ja vaatasid hämmastusega, kuidas elektritakistus langes nullini. . Elektronid tungisid osavalt läbi traadi ilma soojust tekitamata, kui põrkasid kokku selle aatomitega – see oli takistuse päritolu. Davis ütles, et selle väljaselgitamiseks kuluks "eluaeg pingutust".
John Bardeen, Leon Cooper ja John Robert Schrieffer, tuginedes 1950. aastate keskpaiga peamistele eksperimentaalsetele arusaamadele avaldas oma Nobeli preemia võitnud teooria Sellest ülijuhtivuse tavapärasest vormist 1957. aastal. Tänapäeval tuntud BCS-teooria väidab, et läbi aatomiridade liikuvad vibratsioonid "liimivad" elektrone kokku. Kui negatiivselt laetud elektron lendab aatomite vahel, tõmbab see positiivselt laetud aatomituumi enda poole ja tekitab pulsatsiooni. See pulsatsioon tõmbab sisse teise elektroni. Ületades oma ägeda elektrilise tõukejõu, moodustavad need kaks elektroni Cooperi paari.
"See on tõeline looduse pettus," ütles Jörg Schmalian, füüsik Karlsruhe Tehnoloogiainstituudis Saksamaal. "See Cooperi paar ei peaks juhtuma."
Kui elektronid ühinevad, muudab edasine kvanttrikk ülijuhtivuse vältimatuks. Tavaliselt ei saa elektronid kattuda, kuid Cooperi paarid järgivad teistsugust kvantmehaanilist reeglit; need toimivad nagu valgusosakesed, mida suvaline arv võib kuhjuda nööpnõela otsa. Paljud Cooperi paarid ühinevad ja ühinevad üheks kvantmehaaniliseks olekuks, "ülivedelikuks", mis ei unusta aatomeid, mille vahel see liigub.
BCS-teooria selgitas ka seda, miks elavhõbe ja enamik teisi metallilisi elemente absoluutse nulli lähedale jahutamisel ülijuhtivad, kuid ei tee seda enam kui paar kelvinit. Aatomi lained tagavad kõige nõrgema liimi. Tõsta kuumust ja see kõigub aatomeid ja peseb välja võre vibratsiooni.
1986. aastal komistasid IBM-i teadlased Georg Bednorz ja Alex Müller tugevama elektronliimi kupraatides: kristallid, mis koosnesid vase- ja hapnikulehtedest, mis paiknesid teiste elementide kihtide vahel. Pärast neid täheldas kupraati ülijuhtivad 30 kelvini juures, leidsid teadlased peagi ka teisi, mis ülijuhtivad 100 kohalja seejärel üleval 130 XNUMX kelvinit.
Läbimurre käivitas laialdased jõupingutused, et mõista tugevamat liimi, mis vastutab selle "kõrge temperatuuri" ülijuhtivuse eest. Võib-olla on elektronid kokku koondunud, et luua ebaühtlane, lainetav laengukontsentratsioon. Või äkki suhtlesid nad spinni kaudu, mis on elektroni olemuslik omadus, mis suunab selle kindlas suunas, nagu kvantsuuruses magnet.
Varalahkunud Philip Anderson, Ameerika Nobeli preemia laureaat ja kondenseeritud aine füüsika igakülgne legend, esitas teooria vaid paar kuud pärast kõrgtemperatuurse ülijuhtivuse avastamist. Ta väitis, et liimi keskmes on varem kirjeldatud kvantnähtus, mida nimetatakse supervahetuseks – jõud, mis tuleneb elektronide hüppevõimest. Kui elektronid saavad hüpata mitme asukoha vahel, muutub nende asukoht igal hetkel ebakindlaks, samas kui nende impulss saab täpselt määratletud. Teravam hoog võib olla väiksem impulss ja seega ka madalama energiaga olek, mida osakesed loomulikult otsivad.
Tulemuseks on see, et elektronid otsivad olukordi, kus nad saavad hüpata. Elektron eelistab osutada allapoole, kui tema naaber osutab näiteks üles, kuna see eristus võimaldab kahel elektronil hüpata samade aatomite vahel. Sel viisil loob supervahetus mõnes materjalis elektronide pöörlemise korrapärase üles-alla-üles-alla mustri. Samuti tõukab see elektrone üksteisest teatud kaugusele jääma. (Liiga kaugele ja nad ei saa hüpata.) Just see tõhus atraktsioon võib Andersoni arvates moodustada tugevad Cooperi paarid.
Eksperimentalistid nägid pikka aega vaeva, et testida selliseid teooriaid nagu Andersoni oma, kuna materjali omadused, mida nad said mõõta, nagu peegeldusvõime või takistus, pakkusid triljonite elektronide kollektiivsest käitumisest ainult jämedaid kokkuvõtteid, mitte paare.
"Ükski kondenseeritud aine füüsika traditsioonilistest tehnikatest pole kunagi loodud sellise probleemi lahendamiseks," ütles Davis.
Super-eksperiment
Davis, Iiri füüsik, kellel on laborid Oxfordis, Cornelli ülikoolis, Corki ülikooli kolledžis ja Dresdenis asuvas rahvusvahelises Max Plancki kvantmaterjalide keemia ja füüsika uurimiskoolis, on järk-järgult välja töötanud tööriistu kupraatide kontrollimiseks aatomi tasandil. Varasemad katsed mõõtsid materjali ülijuhtivuse tugevust, jahutades seda, kuni see saavutas kriitilise temperatuuri, kus ülijuhtivus algas – soojem temperatuur viitas tugevamale liimile. Kuid viimase kümnendi jooksul on Davise rühm täiustanud viisi, kuidas üksikute aatomite ümber liimi toota.
Nad muutsid väljakujunenud tehnikat, mida nimetatakse skaneerivaks tunnelmikroskoopiaks, mis lohistab nõela üle pinna, mõõtes nende kahe vahel hüppavate elektronide voolu. Vahetades nõela tavalise metallist otsa ülijuhtiva otsa vastu ja pühkides selle üle kupraadi, mõõtsid nad pigem elektronpaaride kui üksikisikute voolu. See võimaldab neil kaardistada iga aatomit ümbritsevate Cooperi paaride tiheduse - ülijuhtivuse otsene mõõt. Nad avaldasid esimese pildi Cooperi paaride sülemid in loodus aastal 2016.
Samal aastal näitas Hiina füüsikute eksperiment oluline tõend toetades Andersoni supervahetuse teooriat: nad näitasid, et mida lihtsam on elektronidel hüpata antud kupraadis vase ja hapniku aatomite vahel, seda kõrgem on kupraadi kriitiline temperatuur (ja seega seda tugevam on selle liim). Davis ja tema kolleegid püüdsid ühendada need kaks lähenemisviisi ühes kupraatkristallis, et liimi olemust lõplikumalt paljastada.
Ta ütles, et "ahaa" hetk saabus 2020. aastal Zoomi üle peetud rühmakoosolekul. Teadlased mõistsid, et kupraadil, mida nimetatakse vismuti strontsiumkaltsiumi vaskoksiidiks (BSCCO või lühidalt "bisko"), oli omapärane omadus, mis tegi nende unistuste katse võimalikuks. BSCCO-s surutakse vase- ja hapnikuaatomite kihid ümbritsevate aatomite lehtedega laineliseks. See muudab teatud aatomite vahelisi kaugusi, mis omakorda mõjutab hüppamiseks vajalikku energiat. Variatsioon põhjustab peavalu teoreetikutele, kellele meeldib, et nende võred on korras, kuid see andis eksperimentalistidele täpselt selle, mida nad vajasid: ühes proovis hulga hüplevaid energiaid.
Nad kasutasid traditsioonilist metallotsaga skaneerivat mikroskoopi, et kleepida elektronid mõnele aatomile ja eraldada need teistelt, kaardistades hüppeenergiat üle kupraadi. Seejärel vahetasid nad kupraatotsa, et mõõta Cooperi paaride tihedust iga aatomi ümber.
Kaks kaarti reastusid. Seal, kus elektronidel oli raske hüpata, oli ülijuhtivus nõrk. Seal, kus hüppamine oli lihtne, oli ülijuhtivus tugev. Hüppeenergia ja Cooperi paaritiheduse vaheline seos vastas täpselt keerukale numbriline ennustus aastast 2021 Tremblay ja kolleegid, kes väitsid, et see suhe peaks tulenema Andersoni teooriast.
Superexchange Super Glue
Davise järeldus, et hüppeenergia on seotud ülijuhtivuse tugevusega, avaldati sel kuul ajakirjas Proceedings of the National Academy of Sciences, viitab kindlalt sellele, et supervahetus on superliim, mis võimaldab kõrgel temperatuuril ülijuhtivust.
"See on kena töö, sest see toob kaasa uue tehnika, mis näitab veelgi, et sellel ideel on jalad," ütles Ali Yazdani, Princetoni ülikooli füüsik, kes on välja töötanud sarnased tehnikad kupraatide ja muud eksootilised juhtumid ülijuhtivuse kohta paralleelselt Davise rühmaga.
Kuid Yazdani ja teised teadlased hoiatavad, et siiski on olemas võimalus, olgu see vähegi väike, et liimi tugevus ja hüppamise lihtsus liiguvad mingil muul põhjusel ning see väli on langemas klassikalist korrelatsiooni-võrdub-põhjusliku seose lõksu. Yazdani jaoks on tõeline viis põhjusliku seose tõestamiseks kasutada supervahetust uute toretsevate ülijuhtide väljatöötamiseks.
"Kui see on valmis, suurendame Tc,” ütles ta kriitilisele temperatuurile viidates.
Supervahetus pole uus idee, nii et paljud teadlased on sellele juba mõelnud kuidas seda tugevdada, võib-olla vase-hapnikuvõre täiendavalt pigistades või katsetades teiste elementide paaridega. "Ennustused on juba laual," ütles Tremblay.
Muidugi ei ole aatomiplaanide visandamine ja materjalide kujundamine, mis teevad seda, mida teadlased tahavad, kiire ega lihtne. Lisaks pole mingit garantiid, et isegi eritellimusel valmistatud kupraadid saavutavad kriitilised temperatuurid, mis on palju kõrgemad kui meile juba tuttavad kupraadid. Supervahetuse tugevusel võib olla kõva lagi, nagu tundub olevat aatomivibratsioonidel. Mõned teadlased on kandidaatide uurimine täiesti erinevatele ja potentsiaalselt veelgi tugevamatele liimitüüpidele. teised võimendada ebamaist survet et toetada traditsioonilisi aatomivibratsioone.
Kuid Davise tulemus võib ergutada ja koondada keemikute ja materjaliteadlaste jõupingutusi, kelle eesmärk on tõsta kupraatülijuhte kõrgemale.
"Materjaleid kujundavate inimeste loovus on piiramatu, " ütles Schmalian. "Mida kindlamad oleme, et mehhanism on õige, seda loomulikum on sellesse rohkem investeerida."
