محققان شواهد کمی برای مکانیسمی یافته اند که مدت ها پیش پیش بینی می شد که مسئول ابررسانایی در دمای بالا باشد. به رهبری جی سی سیموس دیویس از دانشگاه آکسفورد ، انگلستاناین تیم از میکروسکوپ کوانتومی برای مطالعه یک ابررسانا با دمای بالا به نام اکسید مس کلسیم بیسموت استرانسیوم (BSCCO) استفاده کردند. این کار نشان می‌دهد که به نظر می‌رسد الکترون‌های موجود در این ماده به دلیل جفت شدن الکترون‌های قوی وارد حالت ابرسیال می‌شوند، که سپس به آنها اجازه می‌دهد بدون اتلاف حرکت کنند.
ابررساناها موادی هستند که وقتی کمتر از دمای انتقال ابررسانا سرد می شوند، جریان الکتریکی را بدون هیچ مقاومتی هدایت می کنند. Tc. اولین ابررسانایی که کشف شد جیوه جامد در سال 1911 بود، اما دمای انتقال آن تنها چند کلوین بالاتر از صفر مطلق است، به این معنی که خنک کننده هلیوم مایع گران قیمت برای نگه داشتن آن در فاز ابررسانا مورد نیاز است. چند ابررسانای "معمولی" دیگر، همانطور که شناخته شده اند، اندکی پس از آن، با مقادیر منجمد مشابهی کشف شدند. Tc.
با این حال، در اواخر دهه 1980، کلاس جدیدی از ابررساناهای "در دمای بالا" با Tc بالاتر از نقطه جوش نیتروژن مایع (77 K) پدید آمد. این مواد فلزات نبودند، بلکه عایق هایی حاوی اکسیدهای مس (کوپرات ها) بودند و وجود آنها نشان می داد که ممکن است در دماهای بالاتر هم بتوان به ابررسانایی دست یافت. جستجو برای ابررساناهای دمای اتاق از آن زمان تاکنون ادامه داشته است، زیرا چنین موادی به طور قابل توجهی کارایی ژنراتورهای الکتریکی و خطوط انتقال را بهبود می بخشد و در عین حال کاربردهای رایج ابررسانایی (از جمله آهنرباهای ابررسانا در شتاب دهنده های ذرات و دستگاه های پزشکی مانند اسکنرهای MRI) را نیز ایجاد می کند. ساده تر و ارزان تر
نظریه BCS کوتاه است
نظریه کلاسیک ابررسانایی (که به نام نظریه BCS پس از حروف اول کاشفان آن، باردین، کوپر و شریفر شناخته می شود) توضیح می دهد که چرا جیوه و بیشتر عناصر فلزی در زیر خود ابررسانا هستند. Tc: الکترون های فرمیونی آنها با هم جفت می شوند و بوزون هایی به نام جفت کوپر ایجاد می کنند. این بوزون‌ها یک میعان فاز منسجم را تشکیل می‌دهند که می‌تواند به صورت ابر جریانی که پراکندگی را تجربه نمی‌کند، از درون ماده عبور کند و ابررسانایی نتیجه این است. با این حال، وقتی نوبت به توضیح مکانیسم‌های پشت ابررساناهای با دمای بالا می‌رسد، این نظریه کوتاه است. در واقع، مکانیسم پشت ابررسانایی دمای بالا به عنوان یکی از مسائل اساسی حل نشده در فیزیک در نظر گرفته می شود.
یکی از نظریه های احتمالی که توسط فیزیکدان فقید آمریکایی و برنده جایزه نوبل ارائه شده است فیلیپ آندرسون، شامل یک پدیده کوانتومی به نام ابرمبادله است. برخلاف برهم کنش تبادلی آشناتر، که الکترون هایی را که از نظر فیزیکی به اندازه کافی نزدیک هستند تا توابع موج مکانیکی کوانتومی همپوشانی داشته باشند، تحت تاثیر قرار می دهد، ابرمبادله نیازی به همپوشانی ندارد. در عوض، از الکترون‌هایی که از اتم مس در یک محل شبکه در یک ماده کریستالی به اتم مس دیگر در محل بعدی می‌پرند سرچشمه می‌گیرد - یک فرآیند مکانیکی کوانتومی که در آن الکترون از طریق اتم‌های اکسیژن که دو اتم مس را جدا می‌کند تونل می‌زند. . در طول این فرآیند، الکترون "عملا" از همسایه خود بازدید می کند، فقط چند ثانیه بعد دوباره به عقب برمی گردد.
یک نکته کلیدی در نظریه ابرمبادله اندرسون این است که نشان می‌دهد که الکترون‌ها به دنبال موقعیت‌هایی هستند که در آن می‌توانند به‌طور بهینه‌تر پرش کنند - برای مثال، زمانی که اسپین‌های الکترون‌های همسایه در جهت مخالف قرار می‌گیرند و یک الگوی اسپین بالا/اسپین پایین منظم ایجاد می‌کنند. پدیده پرش مجازی همچنین الکترون‌ها را مجبور می‌کند تا نسبتاً نزدیک به یکدیگر باقی بمانند و یک نوع جاذبه کوانتومی قوی ایجاد می‌کند که می‌تواند به تشکیل جفت‌های قوی کوپر کمک کند.
اندازه گیری جریان جفت الکترون
تا به حال، آزمایش چنین نظریه ای دشوار بود، اما دیویس و همکارانش راهی برای انجام آن با استفاده از میکروسکوپ تونلی روبشی اصلاح شده (STM) با نوک ابررسانا به جای میکروسکوپ معمولی فلزی پیدا کردند. با جارو کردن این نوک ابررسانا در نمونه ای از BSCCO، آنها توانستند جریانی از جفت الکترون ها را اندازه گیری کنند، نه فقط جریان تک تک الکترون ها. این به آنها اجازه داد تا چگالی جفت‌های کوپر را که هر اتم را احاطه کرده‌اند، نقشه‌برداری کنند - معیار مستقیمی از ابررسانایی.
به رهبری توسط شین اوماهونی at کالج دانشگاه کورک در ایرلند و وانگ پینگ رن در دانشگاه آکسفورد، تیم دیویس دریافتند که وقتی پرش الکترون دشوارتر بود، ابررسانایی ضعیف‌تر بود. برعکس، زمانی که پرش آسان بود، ابررسانایی قوی بود. به گفته محققان، این مشاهدات از نظر کمی با نظریه جفت ابرمبادله مطابقت بسیار خوبی داشت، که اکنون می توان آن را به صورت عددی تجزیه و تحلیل کرد، و قویاً نشان می دهد که ابرمبادله مکانیسم جفت شدن الکترون در BSCCO ابررسانا است.
اگر این روش و روش آزمایشی جدید یک نظریه خاص را به عنوان پیش‌بینی دقیق تأیید کند، باید به نظریه‌پردازان اجازه دهد مواد مصنوعی با اتم‌های مختلف در مکان‌های مختلف طراحی کنند. Tc دیویس می گوید، بالاتر است. در نهایت، این مواد می‌توانند کاربردهای گسترده‌ای داشته باشند، از قطارهای مگلو، راکتورهای همجوشی هسته‌ای، رایانه‌های کوانتومی و شتاب‌دهنده‌های ذرات پرانرژی، به غیر از انتقال و ذخیره‌سازی انرژی فوق‌العاده کارآمد.»
مطابق با سدریک وبر of پادشاهان کالج لندنتیم دیویس که در این کار نقشی نداشت، "پیشگام امکانات جدیدی در درک ما از منشاء میکروسکوپی ابررسانایی دمای بالا بود، به ویژه در زمینه مشکل الکترون‌های برهم کنش قوی". وبر اضافه می کند که حل چنین نظریه هایی ذاتاً سخت است و هدف شناسایی مقادیر کلیدی است که می توانند نشانگرهایی برای دستیابی به عملیات دمای اتاق ارائه دهند.
ابررساناهای کوپرات حاوی یک جزء عجیب هستند
«محققان به یک تور د نیروی وبر می گوید و یک مطالعه سیستماتیک از خواص ابررسانا با توجه به تغییرات در انرژی انتقال بار و نشان دادن ارتباط کلیدی این پارامتر ارائه کرد. انرژی انتقال بار نیز متغیر خاصی است که کوپلینگ سوپرمبادله را تعریف می کند. این نه تنها تئوری و آزمایش را بسیار نزدیک‌تر می‌کند، بلکه جهشی به سوی ارائه نقشه راه برای نهایتاً طراحی ابررساناهای بهتر است.»
تیم Oxford–Cork، گزارش کار خود را در PNASمی‌گوید از این تکنیک جدید برای بررسی نمودار فاز کوپرات‌های ابررسانا با دمای بالا استفاده می‌کند تا نظریه‌ای را که آنها به‌طور تجربی برای طیف وسیعی از پارامترهای مختلف تأیید کرده‌اند، آزمایش کند. دیویس می‌گوید: «در صورت موفقیت، ما مطالعاتی معادل سایر مواد را انجام خواهیم داد دنیای فیزیک.
