दशकों से, क्रिस्टल के एक परिवार ने भौतिकविदों को सुपरकंडक्ट करने की अपनी चौंकाने वाली क्षमता के साथ स्टंप किया है - यानी, बिना किसी प्रतिरोध के विद्युत प्रवाह - अन्य सामग्रियों की तुलना में बहुत गर्म तापमान पर।
अब, बनाने में एक प्रयोग वर्ष है प्रत्यक्ष रूप से देखी गई अतिचालकता इन क्रिस्टलों में से एक में परमाणु पैमाने पर, अंततः घटना के कारण को लगभग सभी की संतुष्टि के लिए प्रकट करता है। ऐसा प्रतीत होता है कि इलेक्ट्रॉन एक-दूसरे को घर्षण रहित प्रवाह में कुहनी मारते हैं, जैसा कि पहले एक आदरणीय सिद्धांत द्वारा सुझाया गया था, जो कि रहस्य जितना ही पुराना है।
"यह सबूत वास्तव में सुंदर और प्रत्यक्ष है," ने कहा सुबीर सचदेव, हार्वर्ड विश्वविद्यालय के एक भौतिक विज्ञानी, जो क्रिस्टल के सिद्धांतों का निर्माण करते हैं, जिन्हें कप्रेट के रूप में जाना जाता है, और प्रयोग में शामिल नहीं थे।
"मैंने इस समस्या पर 25 वर्षों तक काम किया है, और मुझे आशा है कि मैंने इसे हल कर लिया है," ने कहा जेसी सीमस डेविस, जिन्होंने ऑक्सफोर्ड विश्वविद्यालय में नए प्रयोग का नेतृत्व किया। "मैं बिल्कुल रोमांचित हूं।"
नया माप सिद्धांत के आधार पर एक भविष्यवाणी से मेल खाता है, जो सुपरएक्सचेंज नामक क्वांटम घटना के लिए कप्रेट सुपरकंडक्टिविटी को विशेषता देता है। "मैं मात्रात्मक समझौते से चकित हूँ," ने कहा आंद्रे-मैरी ट्रेमब्ले, कनाडा में शेरब्रुक विश्वविद्यालय में एक भौतिक विज्ञानी और पिछले साल भविष्यवाणी करने वाले समूह के नेता।
अनुसंधान क्षेत्र की बारहमासी महत्वाकांक्षा को आगे बढ़ाता है: कप्रेट सुपरकंडक्टिविटी लेने और इसके अंतर्निहित तंत्र को मजबूत करने के लिए, ताकि दुनिया को बदलने वाली सामग्री को उच्च तापमान पर भी सुपरकंडक्टिंग बिजली में सक्षम बनाया जा सके। कमरे के तापमान की सुपरकंडक्टिविटी रोजमर्रा के इलेक्ट्रॉनिक्स, बिजली लाइनों और बहुत कुछ के लिए सही दक्षता लाएगी, हालांकि उद्देश्य अभी भी दूर है।
"यदि सिद्धांत का यह वर्ग सही है," डेविस ने सुपरएक्सचेंज सिद्धांत का जिक्र करते हुए कहा, "विभिन्न स्थानों में विभिन्न परमाणुओं के साथ सिंथेटिक सामग्री का वर्णन करना संभव होना चाहिए" जिसके लिए महत्वपूर्ण तापमान अधिक है।
दो गोंद
भौतिकविदों ने सुपरकंडक्टिविटी के साथ संघर्ष किया है क्योंकि यह पहली बार 1911 में देखा गया था। डच वैज्ञानिक हेइक कामेरलिंग ओन्स और सहयोगियों ने एक पारा तार को लगभग 4 केल्विन (अर्थात पूर्ण शून्य से 4 डिग्री ऊपर) तक ठंडा किया और आश्चर्य के साथ देखा कि विद्युत प्रतिरोध शून्य तक गिर गया था। . इलेक्ट्रॉनों ने चतुराई से तार के माध्यम से बिना गर्मी पैदा किए अपना रास्ता बना लिया जब वे इसके परमाणुओं से टकरा गए - प्रतिरोध की उत्पत्ति। डेविस ने कहा, यह पता लगाने के लिए "जीवन भर का प्रयास" लगेगा।
1950 के दशक के मध्य से प्रमुख प्रयोगात्मक अंतर्दृष्टि पर निर्माण, जॉन बार्डीन, लियोन कूपर और जॉन रॉबर्ट श्राइफ़र उनके नोबेल पुरस्कार विजेता सिद्धांत को प्रकाशित किया 1957 में सुपरकंडक्टिविटी के इस पारंपरिक रूप का। "बीसीएस सिद्धांत", जैसा कि आज भी जाना जाता है, यह मानता है कि कंपन परमाणुओं की पंक्तियों के माध्यम से "गोंद" इलेक्ट्रॉनों के साथ चलते हैं। जैसे ही एक ऋणात्मक आवेशित इलेक्ट्रॉन परमाणुओं के बीच उड़ता है, यह धनावेशित परमाणु नाभिक को अपनी ओर खींचता है और एक तरंग उत्पन्न करता है। वह तरंग दूसरे इलेक्ट्रॉन में खींचती है। अपने भयंकर विद्युत प्रतिकर्षण पर काबू पाने के बाद, दो इलेक्ट्रॉन एक "कूपर जोड़ी" बनाते हैं।
"यह प्रकृति की सच्ची चालबाजी है," कहा जोर्ग श्मेलियानजर्मनी में कार्लज़ूए प्रौद्योगिकी संस्थान के भौतिक विज्ञानी। "यह कूपर जोड़ी नहीं होनी चाहिए।"
जब इलेक्ट्रॉन जुड़ते हैं, तो आगे की क्वांटम चालबाजी अतिचालकता को अपरिहार्य बना देती है। आम तौर पर, इलेक्ट्रॉन ओवरलैप नहीं कर सकते हैं, लेकिन कूपर जोड़े एक अलग क्वांटम यांत्रिक नियम का पालन करते हैं; वे प्रकाश के कणों की तरह कार्य करते हैं, जिनमें से कोई भी संख्या पिन के सिर पर ढेर हो सकती है। कई कूपर जोड़े एक साथ आते हैं और एक एकल क्वांटम यांत्रिक अवस्था में विलीन हो जाते हैं, एक "सुपरफ्लुइड", जो इसके बीच से गुजरने वाले परमाणुओं से बेखबर हो जाता है।
बीसीएस सिद्धांत ने यह भी समझाया कि पारा और अधिकांश अन्य धातु तत्व परम शून्य के करीब ठंडा होने पर अतिचालक क्यों होते हैं लेकिन कुछ केल्विन से ऊपर ऐसा करना बंद कर देते हैं। परमाणु तरंगें सबसे कमजोर गोंद बनाती हैं। गर्मी बढ़ाएं, और यह परमाणुओं को हिलाता है और जाली कंपन को धो देता है।
फिर 1986 में, आईबीएम के शोधकर्ता जॉर्ज बेडनोर्ज़ और एलेक्स मुलर ने कप्रेट्स में एक मजबूत इलेक्ट्रॉन गोंद पर ठोकर खाई: अन्य तत्वों की परतों के बीच तांबे और ऑक्सीजन की चादरों से युक्त क्रिस्टल। वह बाद मै एक कप्रेट मनाया 30 केल्विन में सुपरकंडक्टिंग, शोधकर्ताओं ने जल्द ही अन्य लोगों को पाया कि सुपरकंडक्ट 100 से ऊपर, और फिर ऊपर 130 केल्विन.
सफलता ने इस "उच्च तापमान" अतिचालकता के लिए जिम्मेदार कठिन गोंद को समझने के लिए एक व्यापक प्रयास शुरू किया। शायद इलेक्ट्रॉनों ने एक साथ गुच्छी, आवेश की तरंगित सांद्रता बनाई। या हो सकता है कि उन्होंने स्पिन के माध्यम से बातचीत की, इलेक्ट्रॉन की एक आंतरिक संपत्ति जो इसे एक विशेष दिशा में उन्मुख करती है, जैसे क्वांटम-आकार चुंबक।
दिवंगत फिलिप एंडरसन, एक अमेरिकी नोबेल पुरस्कार विजेता और संघनित पदार्थ भौतिकी में चारों ओर के दिग्गज, ने आगे रखा एक सिद्धांत उच्च तापमान अतिचालकता की खोज के कुछ ही महीने बाद। गोंद के दिल में, उन्होंने तर्क दिया, सुपरएक्सचेंज नामक एक पूर्व वर्णित क्वांटम घटना को रखा - इलेक्ट्रॉनों की हॉप करने की क्षमता से उत्पन्न होने वाला बल। जब इलेक्ट्रॉन कई स्थानों के बीच कूद सकते हैं, तो किसी एक क्षण में उनकी स्थिति अनिश्चित हो जाती है, जबकि उनका संवेग ठीक-ठीक परिभाषित हो जाता है। एक तेज गति एक कम गति हो सकती है, और इसलिए एक निम्न-ऊर्जा अवस्था हो सकती है, जिसे कण स्वाभाविक रूप से खोजते हैं।
नतीजा यह है कि इलेक्ट्रॉन उन स्थितियों की तलाश करते हैं जिनमें वे आशा कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, जब उसका पड़ोसी ऊपर की ओर इशारा करता है, तो एक इलेक्ट्रॉन नीचे की ओर इशारा करना पसंद करता है, क्योंकि यह अंतर दो इलेक्ट्रॉनों को एक ही परमाणुओं के बीच हॉप करने की अनुमति देता है। इस तरह, सुपरएक्सचेंज कुछ सामग्रियों में इलेक्ट्रॉन स्पिन का एक नियमित अप-डाउन-अप-डाउन पैटर्न स्थापित करता है। यह इलेक्ट्रॉनों को एक निश्चित दूरी से अलग रहने के लिए भी प्रेरित करता है। (बहुत दूर, और वे आशा नहीं कर सकते।) यह प्रभावी आकर्षण है कि एंडरसन का मानना था कि मजबूत कूपर जोड़े बना सकते हैं।
प्रयोगवादियों ने एंडरसन जैसे सिद्धांतों का परीक्षण करने के लिए लंबे समय तक संघर्ष किया, क्योंकि भौतिक गुण जिन्हें वे माप सकते थे, जैसे कि परावर्तन या प्रतिरोध, ने खरबों इलेक्ट्रॉनों के सामूहिक व्यवहार के केवल कच्चे सारांश की पेशकश की, जोड़े नहीं।
डेविस ने कहा, "संघनित पदार्थ भौतिकी की पारंपरिक तकनीकों में से कोई भी इस तरह की समस्या को हल करने के लिए कभी भी डिजाइन नहीं किया गया था।"
सुपर-प्रयोग
डेविस, ऑक्सफोर्ड, कॉर्नेल विश्वविद्यालय, यूनिवर्सिटी कॉलेज कॉर्क और इंटरनेशनल मैक्स प्लैंक रिसर्च स्कूल फॉर केमिस्ट्री एंड फिजिक्स ऑफ क्वांटम मैटेरियल्स इन ड्रेसडेन में प्रयोगशालाओं के साथ एक आयरिश भौतिक विज्ञानी ने धीरे-धीरे परमाणु स्तर पर कप्रेट की जांच करने के लिए उपकरण विकसित किए हैं। पहले के प्रयोगों ने सामग्री की सुपरकंडक्टिविटी की ताकत को तब तक ठंडा करके मापा जब तक कि यह उस महत्वपूर्ण तापमान तक नहीं पहुंच गया जहां सुपरकंडक्टिविटी शुरू हुई - गर्म तापमान मजबूत गोंद का संकेत देता है। लेकिन पिछले एक दशक में, डेविस के समूह ने व्यक्तिगत परमाणुओं के चारों ओर गोंद पैदा करने का एक तरीका परिष्कृत किया है।
उन्होंने स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोपी नामक एक स्थापित तकनीक को संशोधित किया, जो दोनों के बीच छलांग लगाने वाले इलेक्ट्रॉनों की धारा को मापते हुए एक सतह पर एक सुई को खींचती है। सुपरकंडक्टिंग टिप के लिए सुई की सामान्य धातु की नोक की अदला-बदली करके और इसे एक कप्रेट में घुमाकर, उन्होंने व्यक्तियों के बजाय इलेक्ट्रॉन जोड़े की एक धारा को मापा। यह उन्हें प्रत्येक परमाणु के आस-पास कूपर जोड़े के घनत्व का नक्शा बनाने देता है - सुपरकंडक्टिविटी का प्रत्यक्ष माप। उन्होंने . की पहली छवि प्रकाशित की कूपर जोड़े के झुंड in प्रकृति 2016 में।
उसी वर्ष, चीनी भौतिकविदों द्वारा एक प्रयोग प्रदान किया गया सबूत का एक प्रमुख टुकड़ा एंडरसन के सुपरएक्सचेंज सिद्धांत का समर्थन करना: उन्होंने दिखाया कि किसी दिए गए कप्रेट में तांबे और ऑक्सीजन परमाणुओं के बीच इलेक्ट्रॉनों के लिए हॉप करना जितना आसान होता है, कप्रेट का महत्वपूर्ण तापमान उतना ही अधिक होता है (और इस प्रकार इसका गोंद जितना मजबूत होता है)। डेविस और उनके सहयोगियों ने गोंद की प्रकृति को और अधिक स्पष्ट रूप से प्रकट करने के लिए एक ही कप्रेट क्रिस्टल में दो दृष्टिकोणों को संयोजित करने की मांग की।
उन्होंने कहा कि 2020 में जूम पर एक समूह बैठक में “आह” क्षण आया। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि बिस्मथ स्ट्रोंटियम कैल्शियम कॉपर ऑक्साइड (BSCCO, या "बिस्को," संक्षेप में) नामक एक कप्रेट में एक अजीबोगरीब विशेषता थी जिसने उनके सपनों के प्रयोग को संभव बनाया। बीएससीसीओ में, तांबे और ऑक्सीजन परमाणुओं की परतें परमाणुओं की आसपास की चादरों द्वारा एक लहरदार पैटर्न में निचोड़ा जाता है। यह कुछ परमाणुओं के बीच की दूरी को बदलता है, जो बदले में हॉप करने के लिए आवश्यक ऊर्जा को प्रभावित करता है। भिन्नता सिद्धांतकारों के लिए सिरदर्द का कारण बनती है, जो अपनी जाली को साफ-सुथरा पसंद करते हैं, लेकिन इसने प्रयोगवादियों को वही दिया जो उन्हें चाहिए था: एक नमूने में ऊर्जा की एक श्रृंखला।
उन्होंने कुछ परमाणुओं पर इलेक्ट्रॉनों को चिपकाने के लिए एक धातु की नोक के साथ एक पारंपरिक स्कैनिंग माइक्रोस्कोप का इस्तेमाल किया और उन्हें दूसरों से प्लक किया, कप्रेट में हॉपिंग ऊर्जा का मानचित्रण किया। फिर उन्होंने प्रत्येक परमाणु के चारों ओर कूपर जोड़े के घनत्व को मापने के लिए एक कप्रेट टिप में अदला-बदली की।
दो नक्शे पंक्तिबद्ध थे। जहां इलेक्ट्रॉनों ने कूदने के लिए संघर्ष किया, अतिचालकता कमजोर थी। जहां कूदना आसान था, अतिचालकता प्रबल थी। होपिंग एनर्जी और कूपर जोड़ी घनत्व के बीच संबंध एक परिष्कृत . से निकटता से मेल खाते हैं संख्यात्मक भविष्यवाणी 2021 से ट्रेमब्ले और उनके सहयोगियों द्वारा, जिसने तर्क दिया कि इस संबंध को एंडरसन के सिद्धांत से पालन करना चाहिए।
सुपरएक्सचेंज सुपर ग्लू
डेविस का यह पता लगाना कि हॉपिंग एनर्जी सुपरकंडक्टिविटी स्ट्रेंथ से जुड़ी है, इस महीने में प्रकाशित हुई थी नेशनल एकेडमी ऑफ साइंसेज की कार्यवाही, दृढ़ता से तात्पर्य है कि सुपरएक्सचेंज उच्च तापमान सुपरकंडक्टिविटी को सक्षम करने वाला सुपर गोंद है।
"यह काम का एक अच्छा टुकड़ा है क्योंकि यह आगे दिखाने के लिए एक नई तकनीक लाता है कि इस विचार के पैर हैं," ने कहा अली यज़दानी, प्रिंसटन विश्वविद्यालय के एक भौतिक विज्ञानी जिन्होंने कप्रेट्स का अध्ययन करने के लिए समान तकनीक विकसित की है और अन्य विदेशी उदाहरण डेविस के समूह के समानांतर सुपरकंडक्टिविटी का।
लेकिन यज़्दानी और अन्य शोधकर्ताओं ने चेतावनी दी है कि अभी भी एक मौका है, हालांकि दूरस्थ, गोंद की ताकत और किसी अन्य कारण से लॉकस्टेप में आसानी से चलने की सुविधा है, और यह क्षेत्र क्लासिक सहसंबंध-बराबर-कारण जाल में गिर रहा है। यज़्दानी के लिए, एक कारण संबंध साबित करने का वास्तविक तरीका कुछ आकर्षक नए सुपरकंडक्टर्स को इंजीनियर करने के लिए सुपरएक्सचेंज का उपयोग करना होगा।
"अगर यह समाप्त हो गया है, तो चलो बढ़ाएँ Tc, "उन्होंने महत्वपूर्ण तापमान का जिक्र करते हुए कहा।
सुपरएक्सचेंज कोई नया विचार नहीं है, इसलिए बहुत से शोधकर्ताओं ने पहले ही इसके बारे में सोचा है इसे कैसे मजबूत करें, शायद तांबे और ऑक्सीजन जाली को और अधिक निचोड़कर या तत्वों के अन्य जोड़े के साथ प्रयोग करके। "मेज पर पहले से ही भविष्यवाणियां हैं," ट्रेमब्ले ने कहा।
बेशक, परमाणु ब्लूप्रिंट और डिजाइनिंग सामग्री को स्केच करना जो शोधकर्ता चाहते हैं वह त्वरित या आसान नहीं है। इसके अलावा, इस बात की कोई गारंटी नहीं है कि बीस्पोक कप्रेट भी उन कप्रेटों की तुलना में बहुत अधिक महत्वपूर्ण तापमान प्राप्त करेंगे जिन्हें हम पहले से जानते हैं। सुपरएक्सचेंज की ताकत एक सख्त छत हो सकती है, जैसे परमाणु कंपन लगते हैं। कुछ शोधकर्ता हैं जांच करने वाले उम्मीदवार पूरी तरह से अलग और संभावित रूप से और भी मजबूत प्रकार के गोंद के लिए। अन्य अलौकिक दबावों का लाभ उठाएं पारंपरिक परमाणु कंपन को किनारे करने के लिए।
लेकिन डेविस का परिणाम रसायनज्ञों और सामग्री वैज्ञानिकों के प्रयासों को सक्रिय और केंद्रित कर सकता है, जिनका उद्देश्य कप्रेट सुपरकंडक्टर्स को अधिक ऊंचाइयों तक उठाना है।
"सामग्री डिजाइन करने वाले लोगों की रचनात्मकता असीम है," श्मालियन ने कहा। "हम जितना अधिक आश्वस्त हैं कि एक तंत्र सही है, उतना ही स्वाभाविक है कि इसमें और निवेश किया जाए।"
