חוקרים מצאו ראיות כמותיות למנגנון שצפוי זמן רב להיות אחראי על מוליכות-על בטמפרטורה גבוהה. בראשותו של ג'יי סי סימוס דייויס של אוניברסיטת אוקספורד, בריטניה, הצוות השתמש במיקרוסקופיה קוונטית כדי לחקור מוליך-על בטמפרטורה גבוהה בשם ביסמוט סטרונציום תחמוצת נחושת (BSCCO). העבודה מגלה שנראה כי אלקטרונים בחומר זה נכנסים למצב על-נוזל עקב זיווג אלקטרוני חזק, אשר לאחר מכן מאפשר להם לנוע ללא כל פיזור.
מוליכים הם חומרים המוליכים חשמל ללא כל התנגדות כשהם מקוררים מתחת לטמפרטורת המעבר המוליכים שלהם, Tc. המוליך-העל הראשון שהתגלה היה כספית מוצקה ב-1911, אבל טמפרטורת המעבר שלו היא רק כמה קלווין מעל האפס המוחלט, כלומר נדרש נוזל קירור הליום נוזלי יקר כדי לשמור אותו בשלב המוליך-על. כמה מוליכי על "קונבנציונליים" אחרים, כפי שהם ידועים, התגלו זמן קצר לאחר מכן, עם ערכים קרירים דומים של Tc.
עם זאת, החל מסוף שנות ה-1980, מחלקה חדשה של מוליכים "בטמפרטורה גבוהה" עם Tc מעל נקודת הרתיחה של חנקן נוזלי (77 K). חומרים אלו לא היו מתכות אלא מבודדים המכילים תחמוצות נחושת (קופרטים), וקיומם העלה כי ייתכן שניתן יהיה להשיג מוליכות-על בטמפרטורות גבוהות אף יותר. החיפוש אחר מוליכים בטמפרטורת החדר נמשך מאז, כיוון שחומרים כאלה ישפרו במידה ניכרת את היעילות של גנרטורים חשמליים וקווי תמסורת, תוך שימוש ביישומים נפוצים של מוליכות-על (כולל מגנטים מוליכים במאיצי חלקיקים ומכשירים רפואיים כמו סורקי MRI) פשוט וזול יותר.
תורת ה-BCS נופלת
התיאוריה הקלאסית של מוליכות-על (המכונה תיאוריית BCS על שם ראשי התיבות של מגליה, ברדין, קופר ושריפר) מסבירה מדוע כספית ורוב היסודות המתכתיים מוליכים מתחת להם Tc: האלקטרונים הפרמיוניים שלהם מתאחדים ליצירת בוזונים הנקראים זוגות קופר. בוזונים אלו יוצרים עיבוי קוהרנטי פאזה שיכול לזרום דרך החומר כעל זרם-על שאינו חווה פיזור, ומוליכות-על היא תוצאה של זה. התיאוריה נופלת, עם זאת, כשזה מגיע להסבר המנגנונים מאחורי מוליכים בטמפרטורה גבוהה. ואכן, המנגנון מאחורי מוליכות-על בטמפרטורה גבוהה נחשב לאחת הבעיות הבסיסיות הבלתי פתורות בפיזיקה.
תיאוריה אפשרית אחת, שהועלתה על ידי הפיזיקאי האמריקאי וחתן פרס נובל פיליפ אנדרסון, כרוכה בתופעה קוונטית הנקראת superexchange. בניגוד לאינטראקציית החליפין המוכרת יותר, המשפיעה על אלקטרונים שקרובים מספיק פיזית כדי שיהיו להם פונקציות גל קוונטיות-מכניות חופפות, החלפת-על אינה דורשת חפיפה. במקום זאת, הוא נובע מהאלקטרונים "הקפצים" מאטום הנחושת באתר סריג אחד בחומר גבישי לאטום נחושת אחר באתר הבא - תהליך מכני קוונטי שבו האלקטרון עובר דרך אטומי החמצן המפרידים בין שני אטומי הנחושת. . במהלך תהליך זה, האלקטרון "למעשה" מבקר את שכנו, רק כדי לקפוץ בחזרה פיקושניות מאוחר יותר.
נקודת מפתח בתיאוריית חילופי העל של אנדרסון היא שהיא מרמזת שהאלקטרונים מחפשים מצבים שבהם הם יכולים לקפוץ בצורה אופטימלית יותר - למשל, כאשר הספינים של אלקטרונים שכנים מצביעים בכיוונים מנוגדים, ומבססים תבנית ספין-אפ/ספין-מטה קבועה. תופעת הדילוג הוירטואלי מאלצת גם אלקטרונים להישאר קרובים יחסית זה לזה, מה שמספק סוג עוצמתי של משיכה קוונטית שיכול לעזור ליצור זוגות קופר חזקים.
מדידת זרם של זוגות אלקטרונים
עד עכשיו, היה קשה לבדוק תיאוריה כזו, אבל דייויס ועמיתיו מצאו דרך לעשות זאת באמצעות מיקרוסקופ מנהור סורק (STM) עם קצה מוליך-על ולא המתכתי הרגיל הרגיל. על ידי סחפת קצה מוליך זה על פני דגימה של BSCCO, הם הצליחו למדוד זרם של זוגות אלקטרונים, ולא רק זרם של אלקטרונים בודדים. זה איפשר להם למפות את הצפיפות של זוגות קופר המקיפים כל אטום - מדד ישיר של מוליכות-על.
בראשו שיין אומהוני at University College Cork באירלנד ו וואנגפינג רן באוניברסיטת אוקספורד, הצוות של דייוויס גילה שכאשר דילוג אלקטרונים היה קשה יותר, מוליכות העל הייתה חלשה יותר. לעומת זאת, כשהדילוג היה קל, מוליכות העל הייתה חזקה. תצפית זו התאימה מבחינה כמותית מצוין לתיאוריית זיווג חילופי העל, אותה ניתן כעת לנתח באופן מספרי, אומרים החוקרים, והיא מרמזת מאוד שחילופי-על הוא מנגנון זיווג האלקטרונים ב-BSCCO המוליך-על.
"אם הטכניקה והגישה הניסויית החדשה הזו מאמתות תיאוריה ספציפית כחזויה מדויקת, היא צריכה לאפשר לתיאורטיקנים לתכנן חומרים סינתטיים עם אטומים שונים במקומות שונים שעבורם Tc גבוה יותר", אומר דייוויס. "בסופו של דבר, לחומרים האלה יכולים להיות יישומים מרחיקי לכת, החל מרכבות מגלב, כורי היתוך גרעיני, מחשבי קוונטים ומאיצי חלקיקים עתירי אנרגיה, שלא לדבר על העברת אנרגיה ואחסון יעילים במיוחד".
לפי סדריק ובר of קינגס קולג 'לונדון, שלא היה מעורב בעבודה, הצוות של דייוויס "היה חלוץ באפשרויות חדשות בהבנתנו את המקור המיקרוסקופי של מוליכות-על בטמפרטורה גבוהה, במיוחד בהקשר של הבעיה של אלקטרונים בעלי אינטראקציה חזקה". תיאוריות כאלה מטבען קשות לפתרון, מוסיף ובר, והמטרה היא לזהות כמויות מפתח שיכולות לספק סמנים להשגת פעולות בטמפרטורת החדר.
מוליכים של קופרט מכילים רכיב מוזר
"החוקרים השיגו א סיור כוח וסיפק מחקר שיטתי של תכונות המוליכות העל ביחס לשינויים באנרגיית העברת המטען, והדגים את הרלוונטיות המרכזית של פרמטר זה", אומר ובר. "אנרגיית העברת המטען היא גם משתנה מסוים שמגדיר את צימוד חילופי העל. זה לא רק מקרב את התיאוריה והניסויים הרבה יותר, זה גם קפיצת מדרגה לקראת מתן מפת דרכים לתכנון בסופו של דבר מוליכים טובים יותר".
צוות אוקספורד-קורק, מדווח על עבודתו ב PNAS, אומר שהיא תשתמש בטכניקה החדשה כדי לחקור את דיאגרמת הפאזות של ה-cuprates המוליכים בטמפרטורה גבוהה כדי לבדוק את התיאוריה שהם אימתו בניסוי עבור מגוון פרמטרים שונים. "אם נצליח, אז ננסה מחקרים מקבילים של חומרים אחרים", אומר דייוויס עולם הפיזיקה.
