در نهایت ابررسانایی در دمای بالا درک شد

برای دهه‌ها، خانواده‌ای از کریستال‌ها فیزیکدانان را با توانایی گیج‌کننده خود در ابررسانایی - یعنی حمل جریان الکتریکی بدون هیچ مقاومتی - در دماهای بسیار گرم‌تر از مواد دیگر، سرگردان کرده‌اند.

در حال حاضر، یک سال آزمایش در ساخت است به طور مستقیم ابررسانایی را تجسم کرد در مقیاس اتمی در یکی از این بلورها، در نهایت علت این پدیده را برای رضایت تقریباً همه آشکار می کند. به نظر می‌رسد که الکترون‌ها یکدیگر را به یک جریان بدون اصطکاک سوق می‌دهند، به روشی که اولین بار توسط یک نظریه ارجمند که قدمت آن به قدمت خود رمز و راز است، پیشنهاد شد.

گفت: "این شواهد واقعا زیبا و مستقیم است." سوبیر ساچدففیزیکدانی در دانشگاه هاروارد که تئوری‌هایی درباره کریستال‌ها به نام cuprates می‌سازد و در این آزمایش شرکت نداشت.

گفت: "من 25 سال روی این مشکل کار کرده ام و امیدوارم آن را حل کرده باشم." جی سی سیموس دیویس، که آزمایش جدید را در دانشگاه آکسفورد رهبری کرد. "من کاملاً هیجان زده هستم."

اندازه‌گیری جدید با پیش‌بینی مبتنی بر این نظریه مطابقت دارد که ابررسانایی کوپرات را به پدیده‌ای کوانتومی به نام ابرمبادله نسبت می‌دهد. گفت: "من از توافق کمی شگفت زده شده ام." آندره ماری ترمبلی، فیزیکدان دانشگاه شربروک در کانادا و رهبر گروهی که سال گذشته این پیش بینی را انجام داد.

این تحقیق، جاه‌طلبی همیشگی این میدان را ارتقا می‌دهد: گرفتن ابررسانایی کوپرات و تقویت مکانیسم زیربنایی آن، به منظور طراحی مواد در حال تغییر جهان که قادر به ابررسانایی الکتریسیته در دماهای بالاتر هستند. ابررسانایی دمای اتاق کارایی کاملی را برای الکترونیک روزمره، خطوط برق و موارد دیگر به ارمغان می‌آورد، اگرچه هدف هنوز بسیار دور است.

دیویس با اشاره به نظریه ابرمبادله گفت: «اگر این دسته از نظریه درست باشد، باید بتوان مواد مصنوعی را با اتم‌های مختلف در مکان‌های مختلف توصیف کرد» که دمای بحرانی آنها بالاتر است.

دو چسب

فیزیکدانان از زمانی که برای اولین بار در سال 1911 مشاهده شد، با ابررسانایی دست و پنجه نرم کردند. دانشمند هلندی هایکه کامرلینگ اونس و همکارانش یک سیم جیوه ای را تا حدود 4 کلوین (یعنی 4 درجه بالای صفر مطلق) خنک کردند و با حیرت مشاهده کردند که مقاومت الکتریکی به صفر می رسد. . الکترون‌ها به طرز ماهرانه‌ای مسیر خود را از میان سیم بدون تولید گرما در هنگام برخورد با اتم‌های آن - منشا مقاومت - طی کردند. دیویس گفت، برای فهمیدن اینکه چگونه باید یک عمر تلاش کرد.

جان باردین، لئون کوپر و جان رابرت شریفر با تکیه بر بینش های تجربی کلیدی از اواسط دهه 1950 نظریه برنده جایزه نوبل خود را منتشر کردند از این شکل مرسوم ابررسانایی در سال 1957. "نظریه BCS"، همانطور که امروزه شناخته می شود، بر این باور است که ارتعاشات در حال حرکت در ردیف های اتم، الکترون ها را به هم می چسبانند. همانطور که یک الکترون با بار منفی بین اتم ها پرواز می کند، هسته های اتمی با بار مثبت را به سمت خود می کشد و موجی ایجاد می کند. آن موج الکترون دوم را به داخل می کشد. این دو الکترون با غلبه بر دافعه الکتریکی شدید خود، «جفت کوپر» را تشکیل می‌دهند.

گفت: "این حقه واقعی طبیعت است." یورگ اشمالیان، فیزیکدان مؤسسه فناوری کارلسروهه در آلمان. "این جفت کوپر قرار نیست اتفاق بیفتد."

هنگامی که الکترون ها با هم جفت می شوند، ترفندهای کوانتومی بیشتر ابررسانایی را غیرقابل اجتناب می کند. به طور معمول، الکترون ها نمی توانند همپوشانی داشته باشند، اما جفت های کوپر از قانون مکانیک کوانتومی متفاوتی پیروی می کنند. آنها مانند ذرات نور عمل می کنند که هر تعداد آن می تواند روی سر یک سنجاق انباشته شود. بسیاری از جفت‌های کوپر با هم می‌آیند و در یک حالت مکانیکی کوانتومی واحد، یک «ابر سیال» ادغام می‌شوند که از اتم‌هایی که بین آنها عبور می‌کند غافل می‌شود.

نظریه BCS همچنین توضیح داد که چرا جیوه و سایر عناصر فلزی وقتی نزدیک به صفر مطلق سرد می شوند، ابررسانا می شوند، اما این کار را در بالای چند کلوین متوقف می کنند. امواج اتمی ضعیف ترین چسب ها را ایجاد می کنند. حرارت را زیاد کنید، اتم‌ها را تکان می‌دهد و ارتعاشات شبکه را می‌شوید.

سپس در سال 1986، گئورگ بدنورز و الکس مولر، محققین آی‌بی‌ام، به چسب الکترونی قوی‌تری در کپرات‌ها برخورد کردند: کریستال‌هایی متشکل از ورقه‌های مس و اکسیژن که بین لایه‌های عناصر دیگر پراکنده شده‌اند. بعد از آنها یک کوپرات مشاهده کرد با ابررسانایی در 30 کلوین، محققان به زودی سایرین را یافتند که ابررسانا هستند بالاتر از 100، و سپس در بالا 130 کلوین.

این پیشرفت، تلاش گسترده‌ای را برای درک چسب سخت‌تر مسئول این ابررسانایی «در دمای بالا» آغاز کرد. شاید الکترون‌ها برای ایجاد غلظت‌های تکه‌ای و موج‌دار بار کنار هم جمع شده‌اند. یا شاید آنها از طریق اسپین، یک ویژگی ذاتی الکترون که آن را در یک جهت خاص، مانند یک آهنربای به اندازه کوانتومی، جهت می دهد، برهم کنش داده اند.

فقید فیلیپ اندرسون، برنده جایزه نوبل آمریکایی و افسانه همه جانبه در فیزیک ماده متراکم، این موضوع را مطرح کرد. یک نظریه تنها چند ماه پس از کشف ابررسانایی در دمای بالا. او استدلال کرد که در قلب این چسب، یک پدیده کوانتومی که قبلا توضیح داده شده بود به نام ابرتبادل وجود دارد - نیرویی که از توانایی الکترون ها برای پرش ناشی می شود. هنگامی که الکترون ها می توانند بین چندین مکان پرش کنند، موقعیت آنها در هر لحظه نامشخص می شود، در حالی که تکانه آنها دقیقاً مشخص می شود. یک تکانه تندتر می تواند یک تکانه کمتر و در نتیجه حالتی با انرژی کمتر باشد که ذرات به طور طبیعی به دنبال آن هستند.

نتیجه این است که الکترون‌ها به دنبال موقعیت‌هایی هستند که بتوانند در آن پرش کنند. برای مثال، یک الکترون ترجیح می‌دهد زمانی که همسایه‌اش به سمت بالا اشاره می‌کند، به پایین اشاره کند، زیرا این تمایز به دو الکترون اجازه می‌دهد بین اتم‌های یکسانی پرش کنند. به این ترتیب، ابرمبادله یک الگوی منظم بالا-پایین-بالا-پایین از اسپین های الکترون در برخی مواد ایجاد می کند. همچنین الکترون‌ها را وادار می‌کند تا در فاصله‌ای مشخص از هم فاصله بگیرند. (خیلی دور، و آنها نمی توانند پرش کنند.) این جاذبه موثری است که اندرسون معتقد بود می تواند جفت های قوی کوپر را تشکیل دهد.

تجربی‌شناسان مدت‌ها برای آزمایش نظریه‌هایی مانند اندرسون تلاش می‌کردند، زیرا ویژگی‌های موادی که می‌توانستند اندازه‌گیری کنند، مانند بازتاب یا مقاومت، فقط خلاصه‌های خامی از رفتار جمعی تریلیون‌ها الکترون ارائه می‌کردند، نه جفت.

دیویس گفت: "هیچ یک از تکنیک های سنتی فیزیک ماده متراکم هرگز برای حل مسئله ای مانند این طراحی نشده است."

سوپر آزمایش

دیویس، فیزیکدان ایرلندی با آزمایشگاه‌هایی در آکسفورد، دانشگاه کرنل، کالج دانشگاه کورک و دانشکده تحقیقات بین‌المللی ماکس پلانک برای شیمی و فیزیک مواد کوانتومی در درسدن، به تدریج ابزارهایی را برای بررسی دقیق کوپرات‌ها در سطح اتمی ایجاد کرده است. آزمایش‌های قبلی، قدرت ابررسانایی یک ماده را با سرد کردن آن اندازه‌گیری می‌کردند تا زمانی که به دمای بحرانی که در آن ابررسانایی آغاز شد، رسید - با دمای گرم‌تر که نشان‌دهنده چسب قوی‌تر است. اما در دهه گذشته، گروه دیویس روشی را برای ایجاد چسب در اطراف اتم های منفرد اصلاح کرده است.

آنها روشی به نام میکروسکوپ تونل زنی روبشی را اصلاح کردند که سوزنی را روی سطح می کشد و جریان الکترون هایی را که بین این دو جهش می کنند اندازه گیری می کند. آنها با تعویض نوک فلزی معمولی سوزن با یک نوک ابررسانا و جاروب کردن آن روی یک کوپرات، جریان جفت الکترون را به جای افراد اندازه گیری کردند. این به آن‌ها اجازه می‌دهد چگالی جفت‌های کوپر را که هر اتم را احاطه کرده‌اند را ترسیم کنند - اندازه‌گیری مستقیم ابررسانایی. آنها اولین تصویر را منتشر کردند ازدحام جفت کوپر in طبیعت در 2016.

در همان سال، آزمایشی توسط فیزیکدانان چینی ارائه شد یک مدرک عمده حمایت از نظریه ابرمبادله اندرسون: آنها نشان دادند که هر چه الکترون ها بین اتم های مس و اکسیژن در یک کوپرات معین راحت تر جهش کنند، دمای بحرانی کوپرات بالاتر می رود (و در نتیجه چسب آن قوی تر می شود). دیویس و همکارانش به دنبال ترکیب این دو روش در یک کریستال کوپرات بودند تا ماهیت چسب را به طور قطعی آشکار کنند.

او گفت که لحظه "آها" در یک جلسه گروهی در زوم در سال 2020 رخ داد. محققان دریافتند که یک کوپرات به نام اکسید مس کلسیم بیسموت استرانسیوم (BSCCO یا به اختصار "bisko") ویژگی عجیبی دارد که آزمایش رویایی آنها را ممکن می کند. در BSCCO، لایه‌های اتم‌های مس و اکسیژن توسط ورقه‌های اتم‌های اطراف به شکل یک الگوی موج‌دار فشرده می‌شوند. این امر فاصله بین اتم های خاص را تغییر می دهد که به نوبه خود بر انرژی مورد نیاز برای پرش تأثیر می گذارد. این تنوع برای نظریه‌پردازان سردرد ایجاد می‌کند که دوست دارند شبکه‌های شبکه‌شان مرتب باشد، اما دقیقاً همان چیزی را که به آن‌ها نیاز داشتند در اختیار آزمایش‌کنندگان قرار داد: طیفی از انرژی‌های پرش در یک نمونه.

آن‌ها از یک میکروسکوپ روبشی سنتی با نوک فلزی برای چسباندن الکترون‌ها به برخی اتم‌ها و جدا کردن آن‌ها از اتم‌های دیگر استفاده کردند و انرژی‌های پرش را در سراسر کوپرات ترسیم کردند. سپس آنها را در یک نوک کوپرات مبادله کردند تا چگالی جفت‌های کوپر را در اطراف هر اتم اندازه‌گیری کنند.

دو نقشه در یک ردیف قرار گرفتند. در جایی که الکترون ها برای پرش تلاش می کردند، ابررسانایی ضعیف بود. جایی که پرش آسان بود، ابررسانایی قوی بود. رابطه بین انرژی پرش و چگالی جفت کوپر با یک رابطه پیچیده مطابقت دارد پیش بینی عددی از سال 2021 توسط ترمبلی و همکارانش، که استدلال کردند که این رابطه باید از نظریه اندرسون پیروی کند.

Superexchange Super Glue

یافته‌های دیویس مبنی بر اینکه انرژی پرش با قدرت ابررسانایی مرتبط است، این ماه در مجله منتشر شد مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم، قویاً نشان می دهد که سوپرتبادل، چسب فوق العاده ای است که ابررسانایی در دمای بالا را امکان پذیر می کند.

گفت: "این یک کار خوب است، زیرا تکنیک جدیدی را به ارمغان می آورد تا بیشتر نشان دهد که این ایده دارای پاهایی است." علی یزدانی، فیزیکدانی از دانشگاه پرینستون که تکنیک های مشابهی را برای مطالعه کوپرات ها و سایر موارد عجیب و غریب ابررسانایی به موازات گروه دیویس.

اما یزدانی و سایر محققان هشدار می‌دهند که هنوز فرصتی، هرچند دور، وجود دارد که قدرت چسب و سهولت پریدن به دلایل دیگری در همان مرحله حرکت کند، و این میدان در حال افتادن به دام کلاسیک همبستگی-برابر-علت است. برای یزدانی، راه واقعی برای اثبات یک رابطه علی، مهار ابرمبادله برای مهندسی برخی ابررساناهای جدید پر زرق و برق خواهد بود.

اگر تمام شد، بیایید افزایش دهیم T_cوی با اشاره به دمای بحرانی هوا گفت.

Superexchange ایده جدیدی نیست، بنابراین بسیاری از محققان قبلاً در مورد آن فکر کرده اند چگونه آن را تقویت کنیم، شاید با کوبیدن بیشتر شبکه مس و اکسیژن یا آزمایش با جفت عناصر دیگر. ترمبلی گفت: «پیش‌بینی‌هایی روی میز وجود دارد.

البته، ترسیم نقشه‌های اتمی و طراحی موادی که خواسته‌های محققان را انجام می‌دهند، سریع یا آسان نیست. علاوه بر این، هیچ تضمینی وجود ندارد که حتی کوپرات‌های سفارشی به دمای بحرانی بسیار بالاتر از کوپرات‌هایی که قبلاً می‌شناسیم دست پیدا کنند. قدرت ابرمبادله می تواند سقف سختی داشته باشد، درست همانطور که ارتعاشات اتمی به نظر می رسد. برخی از محققان هستند تحقیق از نامزدها برای انواع چسب کاملاً متفاوت و حتی بالقوه قوی تر. دیگران از فشارهای غیر زمینی استفاده کنید برای تقویت ارتعاشات اتمی سنتی.

اما نتیجه دیویس می‌تواند انرژی و تمرکز تلاش‌های شیمیدان‌ها و دانشمندان مواد را که قصد دارند ابررساناهای کاپرات را به ارتفاعات بالاتر ببرند، متمرکز کند.

Schmalian گفت: "خلاقیت افرادی که مواد طراحی می کنند بی حد و حصر است." هرچه بیشتر مطمئن باشیم که مکانیزم درست است، سرمایه گذاری بیشتر در این مکانیسم طبیعی تر است.»