Kiteiden perhe on hämmästyttänyt fyysikot vuosikymmeniä hämmentävällä kyvyllään suprajohtaa – eli kuljettaa sähkövirtaa ilman vastusta – paljon lämpimämmässä lämpötilassa kuin muut materiaalit.
Nyt on vuosia tekeillä oleva kokeilu suoraan visualisoitu suprajohtavuus atomimittakaavassa yhdessä näistä kiteistä, paljastaen lopulta ilmiön syyn lähes kaikkien tyytyväisyyteen. Elektronit näyttävät työntävän toisiaan kitkattomaan virtaukseen tavalla, jonka ensimmäisenä ehdotti kunnioitettava teoria, joka on lähes yhtä vanha kuin itse mysteeri.
"Nämä todisteet ovat todella kauniita ja suoria", sanoi Subir Sachdev, Harvardin yliopiston fyysikko, joka rakentaa teorioita kupraateina tunnetuista kiteistä, eikä ollut mukana kokeessa.
"Olen työskennellyt tämän ongelman parissa 25 vuotta, ja toivon, että olen ratkaissut sen", sanoi JC Seamus Davis, joka johti uutta kokeilua Oxfordin yliopistossa. "Olen aivan innoissani."
Uusi mittaus vastaa teoriaan perustuvaa ennustetta, jonka mukaan kupraatin suprajohtavuus johtuu kvanttiilmiöstä, jota kutsutaan supervaihdoksi. "Olen hämmästynyt määrällisestä sopimuksesta", sanoi André-Marie Tremblay, fyysikko Sherbrooken yliopistosta Kanadasta ja viime vuonna ennusteen tehneen ryhmän johtaja.
Tutkimus edistää alan ikuista tavoitetta: ottaa kupraattinen suprajohtavuus ja vahvistaa sen taustalla olevaa mekanismia, jotta voidaan suunnitella maailmaa mullistavia materiaaleja, jotka pystyvät suprajohtamaan sähköä vielä korkeammissa lämpötiloissa. Huoneenlämpöinen suprajohtavuus toisi täydellisen tehokkuuden päivittäiseen elektroniikkaan, voimalinjoihin ja muuhun, vaikka tavoite onkin kaukana.
"Jos tämä teorialuokka on oikea", Davis sanoi viitaten supervaihtoteoriaan, "pitäisi olla mahdollista kuvata synteettisiä materiaaleja, joissa on eri atomeja eri paikoissa", joiden kriittinen lämpötila on korkeampi.
Kaksi liimaa
Fyysikot ovat kamppailleet suprajohtavuuden kanssa siitä lähtien, kun se havaittiin ensimmäisen kerran vuonna 1911. Hollantilainen tiedemies Heike Kamerlingh Onnes ja hänen työtoverinsa jäähdyttivät elohopealangan noin 4 kelviniin (eli 4 astetta absoluuttisen nollan yläpuolelle) ja katselivat hämmästyneenä, kuinka sähkövastus putosi nollaan . Elektronit kulkivat näppärästi langan läpi ilman lämpöä, kun ne törmäsivät sen atomien kanssa – vastuksen alkuun. Davis sanoi, että sen keksiminen vaatisi "elinikäisen vaivannäön".
John Bardeen, Leon Cooper ja John Robert Schrieffer 1950-luvun puolivälin kokeellisten oivallusten pohjalta julkaisi Nobel-palkitun teoriansa Tästä tavanomaisesta suprajohtavuuden muodosta vuonna 1957. "BCS-teoria", kuten se nykyään tunnetaan, väittää, että atomirivien läpi liikkuvat värähtelyt "liimaavat" elektroneja yhteen. Kun negatiivisesti varautunut elektroni lentää atomien välillä, se vetää positiivisesti varautuneita atomiytimiä kohti itseään ja käynnistää aaltoilun. Tämä aaltoilu vetää sisään toisen elektronin. Voitettuaan kovan sähköisen hylkimisen, nämä kaksi elektronia muodostavat "Cooper-parin".
"Se on todellinen luonnon huijaus", sanoi Jörg Schmalian, fyysikko Karlsruhen teknillisessä korkeakoulussa Saksassa. "Tämän Cooper-parin ei pitäisi tapahtua."
Kun elektronit pariutuvat, lisää kvanttitemppuja tekee suprajohtavuudesta väistämätöntä. Normaalisti elektronit eivät voi mennä päällekkäin, mutta Cooper-parit noudattavat erilaista kvanttimekaanista sääntöä; ne toimivat kuin valohiukkaset, joita mikä tahansa määrä voi kasautua neulan päähän. Monet Cooper-parit yhdistyvät ja sulautuvat yhteen kvanttimekaaniseen tilaan, "supernesteeseen", joka ei huomaa atomeja, joiden välillä se kulkee.
BCS-teoria selitti myös, miksi elohopea ja useimmat muut metalliset alkuaineet suprajohtavat, kun ne jäähtyvät lähelle absoluuttista nollaa, mutta lakkaavat toimimasta muutaman kelvinin yläpuolella. Atomiväritteet tekevät heikoimmasta liimasta. Nosta lämpöä, ja se heiluttaa atomeja ja pesee hilan värähtelyt pois.
Sitten vuonna 1986 IBM:n tutkijat Georg Bednorz ja Alex Müller törmäsivät kupraateissa olevaan vahvempaan elektroniliimaan: kupari- ja happilevyistä koostuviin kiteisiin muiden alkuaineiden kerrosten välissä. Niiden jälkeen havaitsi kupraattia suprajohtavia 30 kelvinissä, tutkijat löysivät pian muita suprajohtavia 100: n yläpuolellaja sitten yläpuolella 130 kelviiniä.
Läpimurto käynnisti laajat pyrkimykset ymmärtää kovempaa liimaa, joka on vastuussa tästä "korkean lämpötilan" suprajohtavuudesta. Ehkä elektronit kasautuivat yhteen luoden hajanaisia, aaltoilevia varauspitoisuuksia. Tai ehkä ne ovat vuorovaikutuksessa spinin kautta, joka on elektronin luontainen ominaisuus, joka suuntaa sen tiettyyn suuntaan, kuten kvanttikokoinen magneetti.
Edesmennyt Philip Anderson, amerikkalainen Nobel-palkittu ja tiivistetyn aineen fysiikan monipuolinen legenda, esitti teoria vain kuukausia korkean lämpötilan suprajohtavuuden havaitsemisen jälkeen. Hän väitti, että liiman ytimessä oli aiemmin kuvattu kvanttiilmiö, nimeltään supervaihto - voima, joka syntyy elektronien kyvystä hypätä. Kun elektronit voivat hypätä useiden paikkojen välillä, niiden sijainti milloin tahansa muuttuu epävarmaksi, kun taas niiden liikemäärä tulee tarkasti määritellyksi. Terävämpi liikemäärä voi olla pienempi liikemäärä ja siten alhaisempi energiatila, jota hiukkaset luonnollisesti etsivät.
Lopputulos on, että elektronit etsivät tilanteita, joissa ne voivat hypätä. Elektroni osoittaa mieluummin alas, kun sen naapuri osoittaa esimerkiksi ylöspäin, koska tämä ero sallii kahden elektronin hypätä samojen atomien välillä. Tällä tavalla supervaihto muodostaa joissakin materiaaleissa säännöllisen ylös-alas-ylös-alas-kuvion elektronien pyörimisestä. Se myös työntää elektroneja pysymään tietyn etäisyyden päässä toisistaan. (Liian pitkälle, eivätkä he voi hypätä.) Tämän tehokkaan vetovoiman Anderson uskoi voivan muodostaa vahvoja Cooper-pareja.
Kokeilijat kamppailivat pitkään testatakseen Andersonin kaltaisia teorioita, koska materiaalin ominaisuudet, joita he pystyivät mittaamaan, kuten heijastuskyky tai vastus, tarjosivat vain karkeita yhteenvetoja triljoonien elektronien kollektiivisesta käyttäytymisestä, ei pareja.
"Mitään tiivistetyn aineen fysiikan perinteisistä tekniikoista ei koskaan suunniteltu ratkaisemaan tällaista ongelmaa", Davis sanoi.
Super-kokeilu
Davis, irlantilainen fyysikko, jolla on laboratorioita Oxfordissa, Cornellin yliopistossa, University College Corkissa ja kansainvälisessä Max Planckin kvanttimateriaalien kemian ja fysiikan tutkimuslaitoksessa Dresdenissä, on vähitellen kehittänyt työkaluja kupraattien tutkimiseen atomitasolla. Aiemmissa kokeissa mitattiin materiaalin suprajohtavuuden lujuutta jäähdyttämällä sitä, kunnes se saavutti kriittisen lämpötilan, josta suprajohtavuus alkoi - lämpimämmät lämpötilat osoittivat vahvempaa liimaa. Mutta viimeisen vuosikymmenen aikana Davisin ryhmä on parantanut tapaa liimata liimaa yksittäisten atomien ympärille.
He muuttivat vakiintunutta tekniikkaa, jota kutsutaan pyyhkäisytunnelimikroskoopiksi, joka vetää neulaa pinnan poikki ja mittaa näiden kahden välillä hyppivien elektronien virran. Vaihtamalla neulan normaalin metallisen kärjen suprajohtavaan kärkeen ja pyyhkäisemällä sen kupraatin poikki, he mittasivat elektroniparien virran yksilöiden sijaan. Näin he voivat kartoittaa kutakin atomia ympäröivien Cooper-parien tiheyden - suoran suprajohtavuuden mitta. He julkaisivat ensimmäisen kuvan Cooper-pareja in luonto vuonna 2016.
Samana vuonna kiinalaisten fyysikkojen kokeilu tarjosi tärkeä todiste tukevat Andersonin supervaihtoteoriaa: He osoittivat, että mitä helpompi elektronien on hypätä kupari- ja happiatomien välillä tietyssä kupraatissa, sitä korkeampi kupraatin kriittinen lämpötila (ja siten sitä vahvempi on sen liima). Davis ja hänen kollegansa yrittivät yhdistää nämä kaksi lähestymistapaa yhdeksi kupraattikiteeksi paljastaakseen lopullisemmin liiman luonteen.
"Aha"-hetki tuli ryhmäkokouksessa Zoomin aikana vuonna 2020, hän sanoi. Tutkijat ymmärsivät, että vismutti-strontiumkalsiumkuparioksidiksi kutsutulla kupraatilla (BSCCO tai "bisko") oli erikoinen ominaisuus, joka teki heidän unelmakokeilunsa mahdolliseksi. BSCCO:ssa kupari- ja happiatomien kerrokset puristuvat aaltoilevaksi kuvioksi ympäröivien atomilevyjen vaikutuksesta. Tämä muuttaa tiettyjen atomien välisiä etäisyyksiä, mikä puolestaan vaikuttaa hyppäämiseen tarvittavaan energiaan. Variaatio aiheuttaa päänsärkyä teoreetikoille, jotka pitävät hilansa siisteistä, mutta se antoi kokeilijoille juuri sen, mitä he tarvitsivat: joukon hyppiviä energioita yhdessä näytteessä.
He käyttivät perinteistä pyyhkäisymikroskooppia, jossa oli metallikärki, kiinnittämään elektroneja joihinkin atomeihin ja poimimaan niitä toisista kartoittamaan hyppyenergiat kupraatin poikki. Sitten he vaihtoivat kupraattikärjen mittaakseen Cooper-parien tiheyden kunkin atomin ympärillä.
Kaksi karttaa asettuivat riviin. Siellä missä elektronit kamppailivat hyppääessään, suprajohtavuus oli heikko. Siellä missä hyppiminen oli helppoa, suprajohtavuus oli vahva. Suhde hyppyenergian ja Cooper-paritiheyden välillä vastasi läheisesti kehittyneitä numeerinen ennuste vuodesta 2021 alkaen Tremblay ja kollegat, jotka väittivät, että tämän suhteen pitäisi seurata Andersonin teoriasta.
Superexchange Super Glue
Davisin havainto, että hyppyenergia liittyy suprajohtavuuden vahvuuteen, julkaistiin tässä kuussa Proceedings of National Academy of Sciences, viittaa vahvasti siihen, että supervaihto on superliima, joka mahdollistaa korkean lämpötilan suprajohtavuuden.
"Se on mukava työ, koska se tuo uuden tekniikan osoittamaan entisestään, että tällä idealla on jalat", sanoi Ali Yazdani, Princetonin yliopiston fyysikko, joka on kehittänyt samanlaisia tekniikoita kupraatin ja kuprateen tutkimiseen muita eksoottisia tapauksia suprajohtavuudesta rinnakkain Davisin ryhmän kanssa.
Mutta Yazdani ja muut tutkijat varoittavat, että on silti olemassa, vaikkakin kaukainen mahdollisuus, että liiman lujuus ja hyppäämisen helppous liikkuvat samassa tahdissa jostain muusta syystä ja että kenttä on joutumassa klassiseen korrelaatio on yhtä kuin syy-yhteys ansaan. Yazdanille todellinen tapa todistaa syy-yhteys on valjastaa supervaihto uusien näyttävien suprajohtimien suunnitteluun.
"Jos se on valmis, lisätään Tc”, hän sanoi viitaten kriittiseen lämpötilaan.
Superexchange ei ole uusi idea, joten monet tutkijat ovat jo pohtineet sitä kuinka vahvistaa sitä, ehkä puristamalla edelleen kupari- ja happihilaa tai kokeilemalla muita alkuainepareja. "Pöydällä on jo ennusteita", Tremblay sanoi.
Tietenkään atomipiirrosten luonnosteleminen ja materiaalien suunnitteleminen, jotka tekevät tutkijoiden haluaman, ei ole nopeaa tai helppoa. Lisäksi ei ole mitään takeita siitä, että jopa mittatilaustyönä valmistetut kupraatit saavuttavat kriittiset lämpötilat, jotka ovat paljon korkeampia kuin jo tuntemamme kupraatit. Supervaihdon vahvuudella voisi olla kova katto, aivan kuten atomivärähtelyt näyttävät olevan. Jotkut tutkijat ovat ehdokkaiden tutkiminen täysin erilaisille ja mahdollisesti vielä vahvemmille liimatyypeille. muut hyödyntää epämaisia paineita tukemaan perinteisiä atomivärähtelyjä.
Mutta Davisin tulos voisi antaa energiaa ja keskittää kemistien ja materiaalitutkijoiden ponnistelut, jotka pyrkivät nostamaan kupraattisuprajohteita suurempiin korkeuksiin.
"Materiaaleja suunnittelevien ihmisten luovuus on rajaton", Schmalian sanoi. "Mitä varmempia olemme siitä, että mekanismi on oikea, sitä luonnollisempaa on investoida enemmän tähän."
