A kristályok családja évtizedek óta megdöbbentette a fizikusokat azzal a megdöbbentő képességével, hogy szupravezetést – azaz ellenállás nélkül hordozza az elektromos áramot – sokkal melegebb hőmérsékleten, mint más anyagok.
Most egy évek óta készülő kísérlet történt közvetlenül megjelenített szupravezetés atomi skálán az egyik ilyen kristályban, végül szinte mindenki megelégedésére felfedve a jelenség okát. Úgy tűnik, hogy az elektronok súrlódásmentes áramlásba lökdösik egymást, oly módon, ahogy azt egy tiszteletreméltó elmélet javasolta, amely majdnem olyan régi, mint maga a rejtély.
„Ez a bizonyíték valóban gyönyörű és közvetlen” – mondta Subir Sachdev, a Harvard Egyetem fizikusa, aki a kuprátok néven ismert kristályok elméleteit építi fel, és nem vett részt a kísérletben.
„25 éve dolgozom ezen a problémán, és remélem, sikerült megoldanom” – mondta JC Seamus Davis, aki az új kísérletet vezette az Oxfordi Egyetemen. "Teljesen el vagyok ragadtatva."
Az új mérés megegyezik egy azon az elméleten alapuló előrejelzéssel, amely a kuprát szupravezetést a szupercsere nevű kvantumjelenségnek tulajdonítja. „Lenyűgözött a mennyiségi megállapodás” – mondta André-Marie Tremblay, a kanadai Sherbrooke Egyetem fizikusa és a tavalyi jóslatot készítő csoport vezetője.
A kutatás előmozdítja a szakterület örök ambícióját: a kuprát szupravezetés átvételét és annak mögöttes mechanizmusának megerősítését, hogy olyan világot megváltoztató anyagokat tervezzenek, amelyek képesek még magasabb hőmérsékleten is szupravezetni az elektromosságot. A szobahőmérsékletű szupravezetés tökéletes hatékonyságot hozna a mindennapi elektronika, elektromos vezetékek és egyebek számára, bár a cél továbbra is távoli.
„Ha az elméletnek ez az osztálya helyes” – mondta Davis a szupercsere-elméletre utalva, „lehetővé kell tenni olyan szintetikus anyagok leírását, amelyek különböző helyeken különböző atomokat tartalmaznak”, amelyeknél a kritikus hőmérséklet magasabb.
Két ragasztó
A fizikusok az első 1911-es megfigyelés óta küzdenek a szupravezetéssel. Heike Kamerlingh Onnes holland tudós és munkatársai körülbelül 4 kelvinre (azaz 4 fokkal az abszolút nulla fölé) hűtöttek le egy higanyszálat, és döbbenten nézték, ahogy az elektromos ellenállás nullára süllyed. . Az elektronok ügyesen áthaladtak a vezetéken anélkül, hogy hőt generáltak volna, amikor ütköztek az atomjaival – ez az ellenállás eredete. „Egy életen át tartó erőfeszítésbe kerülne” – mondta Davis, hogy rájöjjön, hogyan.
Az 1950-es évek közepétől származó kulcsfontosságú kísérleti meglátásokra építve John Bardeen, Leon Cooper és John Robert Schrieffer közzétették Nobel-díjas elméletüket 1957-ben a szupravezetés ezen hagyományos formájáról. A ma ismert „BCS-elmélet” azt állítja, hogy az atomsorokon áthaladó rezgések „összeragasztják” az elektronokat. Ahogy egy negatív töltésű elektron repül az atomok között, a pozitív töltésű atommagokat maga felé húzza, és hullámzást indít el. Ez a hullámzás behúz egy második elektront. Leküzdve heves elektromos taszításukat, a két elektron egy „Cooper-párt” alkot.
„Ez a természet igazi csalása” – mondta Jörg Schmalian, a németországi Karlsruhei Technológiai Intézet fizikusa. – Ennek a Cooper-párnak nem szabad megtörténnie.
Amikor az elektronok összekapcsolódnak, további kvantumtrükkök elkerülhetetlenné teszik a szupravezetést. Normális esetben az elektronok nem fedhetik át egymást, de a Cooper-párok más kvantummechanikai szabályt követnek; fényrészecskékként működnek, amelyekből tetszőleges számú halmozódhat fel egy gombostű fejére. Sok Cooper-pár egyesül, és egyetlen kvantummechanikai állapotba, egy „szuperfolyadékba” olvad össze, amely nem veszi észre az atomokat, amelyek között áthalad.
A BCS elmélet azt is megmagyarázta, hogy a higany és a legtöbb fémes elem miért szupravezető, ha az abszolút nulla közelébe hűtjük, de néhány kelvin felett miért nem. Az atomhullámok a leggyengébb ragasztót teszik lehetővé. Tekerje fel a hőt, és ez megmozgatja az atomokat, és kimossa a rácsrezgéseket.
Aztán 1986-ban az IBM kutatói, Georg Bednorz és Alex Müller egy erősebb elektronragasztóba botlottak kuprátokban: réz- és oxigénlapokból álló kristályok más elemek rétegei közé kerültek. Azok után kuprát figyelt meg 30 kelvinnél szupravezető, a kutatók hamarosan másokat is találtak, amelyek szupravezetők az 100 felett, majd fent 130 kelvin.
Az áttörés széleskörű erőfeszítéseket indított annak érdekében, hogy megértsék a „magas hőmérsékletű” szupravezetésért felelős keményebb ragasztót. Talán az elektronok csomósodva hoznak létre foltos, hullámzó töltéskoncentrációkat. Vagy talán a spin révén léptek kölcsönhatásba, az elektron belső tulajdonsága, amely egy adott irányba irányítja, mint egy kvantumméretű mágnes.
Előadta a néhai Philip Anderson, az amerikai Nobel-díjas és a kondenzált anyag fizikájának sokoldalú legendája. egy elmélet néhány hónappal a magas hőmérsékletű szupravezetés felfedezése után. Érvelése szerint a ragasztó középpontjában egy korábban leírt kvantumjelenség, az úgynevezett szupercsere rejlik – ez az erő, amely az elektronok ugrálóképességéből fakad. Amikor az elektronok több hely között ugrálhatnak, helyzetük bármely pillanatban bizonytalanná válik, míg a lendületük pontosan meghatározott. Az élesebb impulzus lehet kisebb impulzus, tehát alacsonyabb energiájú állapot, amelyet a részecskék természetesen megkeresnek.
Ennek eredménye az, hogy az elektronok olyan helyzeteket keresnek, amelyekben ugrálhatnak. Egy elektron például inkább lefelé mutat, amikor a szomszédja felfelé mutat, mivel ez a különbségtétel lehetővé teszi, hogy a két elektron ugyanazon atomok között ugráljon. Ily módon a szupercsere az elektronok szabályos fel-le-fel-le mintázatát hozza létre egyes anyagokban. Az elektronokat is meglöki, hogy bizonyos távolságra maradjanak egymástól. (Túl messzire, és nem tudnak ugrálni.) Ez a hatékony attrakció, amelyről Anderson úgy gondolta, hogy erős Cooper-párokat alkothat.
A kísérletezők sokáig küzdöttek az Andersonhoz hasonló elméletek tesztelésével, mivel az általuk mérhető anyagjellemzők, mint például a visszaverőképesség vagy az ellenállás, csak durva összefoglalásokat kínáltak az elektronok billióinak kollektív viselkedéséről, nem pedig párokról.
„A kondenzált anyag fizikájának egyik hagyományos technikáját sem tervezték ilyen probléma megoldására” – mondta Davis.
Szuper-kísérlet
Davis, egy ír fizikus, az Oxfordban, a Cornell Egyetemen, a University College Cork-ban és a drezdai Nemzetközi Max Planck Kvantumanyagok Kémiai és Fizikai Kutatóiskola laboratóriumaival, fokozatosan kifejlesztett eszközöket a kuprátok atomi szintű vizsgálatára. A korábbi kísérletek egy anyag szupravezető képességének erősségét úgy mérték fel, hogy addig hűtötték, amíg el nem érte azt a kritikus hőmérsékletet, ahol a szupravezetés elkezdődött – a melegebb hőmérséklet erősebb ragasztóanyagot jelez. Ám az elmúlt évtizedben Davis csoportja finomította az egyes atomok körüli ragasztóanyagot.
Módosították a pásztázó alagútmikroszkópiának nevezett bevált technikát, amely egy tűt húz keresztül a felületen, és megméri a kettő között ugráló elektronok áramát. A tű normál fémhegyét szupravezető hegyre cserélve, és a kupráton végigsöpörve elektronpárok áramát mérték, nem pedig egyéneket. Ez lehetővé tette számukra, hogy feltérképezzék az egyes atomokat körülvevő Cooper-párok sűrűségét – ez a szupravezetés közvetlen mértéke. Közzétették az első képet Cooper-párok rajok in Természet A 2016.
Ugyanebben az évben kínai fizikusok kísérlete biztosította jelentős bizonyíték Anderson szupercsereelméletének alátámasztása: Megmutatták, hogy minél könnyebben ugrálnak az elektronok a réz- és oxigénatomok között egy adott kuprátban, annál magasabb a kuprát kritikus hőmérséklete (és ezáltal annál erősebb a ragasztója). Davis és kollégái arra törekedtek, hogy a két megközelítést egyetlen kuprátkristályban egyesítsék, hogy meggyőzőbben felfedjék a ragasztó természetét.
Az „aha” pillanat egy csoporttalálkozón jött el a Zoom mellett 2020-ban – mondta. A kutatók rájöttek, hogy a bizmut-stroncium-kalcium-réz-oxidnak (BSCCO vagy röviden „bisko”) nevezett kuprátnak van egy sajátos tulajdonsága, amely lehetővé tette álomkísérletüket. A BSCCO-ban a réz- és oxigénatomok rétegei hullámos mintázattá préselődnek össze a környező atomlapokkal. Ez megváltoztatja az egyes atomok közötti távolságot, ami viszont befolyásolja az ugráshoz szükséges energiát. A variáció fejfájást okoz a teoretikusoknak, akik szeretik a rácsukat rendezetten, de a kísérletezőknek pontosan azt adta, amire szükségük volt: egy sor ugráló energiát egy mintában.
Hagyományos pásztázó mikroszkópot használtak fémvéggel, hogy egyes atomokra elektronokat ragasszanak, majd elvegyék őket a többitől, feltérképezve az ugráló energiákat a kupráton keresztül. Ezután kuprát hegyet cseréltek, hogy megmérjék az egyes atomok körüli Cooper-párok sűrűségét.
A két térkép felsorakozott. Ahol az elektronok nehezen ugráltak, a szupravezetés gyenge volt. Ahol könnyű volt ugrálni, ott erős volt a szupravezetés. Az ugráló energia és a Cooper-pár sűrűsége közötti kapcsolat szorosan megfelelt egy kifinomultnak számszerű előrejelzés 2021-től Tremblay és munkatársai, akik azzal érveltek, hogy ennek a kapcsolatnak Anderson elméletéből kell következnie.
Superexchange Super Glue
Davis ebben a hónapban közzétett megállapítása, amely szerint az ugráló energia összefügg a szupravezető képességgel Proceedings of the National Academy of Sciences, határozottan arra utal, hogy a szupercsere az a szuperragasztó, amely lehetővé teszi a magas hőmérsékletű szupravezetést.
„Ez egy szép munka, mert egy új technikát hoz, amely tovább mutatja, hogy ennek az ötletnek vannak lábai” – mondta Ali Yazdani, a Princeton Egyetem fizikusa, aki hasonló technikákat fejlesztett ki a kuprátok és a egyéb egzotikus esetek a szupravezetés Davis csoportjával párhuzamosan.
De Yazdani és más kutatók arra figyelmeztetnek, hogy még mindig van esély, bármilyen távoli is, hogy a ragasztó szilárdsága és az ugrálás könnyűsége valamilyen más okból kifolyólag mozduljon el, és a mező a klasszikus korreláció egyenlő oksági csapdába esik. Yazdani számára az ok-okozati összefüggés bizonyításának igazi módja az lesz, ha a szupercserét felhasználja néhány mutatós új szupravezető megtervezésére.
„Ha elkészült, növeljük Tc– mondta a kritikus hőmérsékletre utalva.
A szupercsere nem új ötlet, így rengeteg kutató gondolkodott már rajta hogyan kell megerősíteni, esetleg a réz és az oxigén rácsának további összepréselésével vagy más elempárokkal való kísérletezéssel. „Már vannak előrejelzések a tabellán” – mondta Tremblay.
Természetesen az atomtervrajzok felvázolása és olyan anyagok tervezése, amelyek azt teszik, amit a kutatók akarnak, nem gyors vagy egyszerű. Ezenkívül nincs garancia arra, hogy még az egyedi kuprátok is elérik a kritikus hőmérsékletet, amely sokkal magasabb, mint a már ismert kuprátok. A szupercsere erejének kemény mennyezete lehet, ahogy az atomi rezgéseknek látszik. Néhány kutató az a jelöltek vizsgálata teljesen más és potenciálisan még erősebb ragasztófajtákhoz. Mások földöntúli nyomást gyakorolni hogy megerősítse a hagyományos atomi rezgéseket.
De Davis eredménye felerősítheti és összpontosíthatja a kémikusok és anyagtudósok erőfeszítéseit, akik célja a kuprát szupravezetők magasabbra emelése.
„Az anyagokat tervezők kreativitása határtalan” – mondta Schmalian. "Minél biztosabbak vagyunk abban, hogy egy mechanizmus helyes, annál természetesebb, ha többet fektetünk ebbe a mechanizmusba."
