במשך עשרות שנים, משפחת גבישים הכתה את הפיזיקאים ביכולתה המבלבלת להוליך-על - כלומר לשאת זרם חשמלי ללא כל התנגדות - בטמפרטורות חמות בהרבה מחומרים אחרים.
עכשיו, יש ניסוי שנים בהתהוות מומחיות ישירות מוליכות-על בקנה מידה אטומי באחד הגבישים הללו, סוף סוף חושף את הסיבה לתופעה לשביעות רצונם של כולם. נראה שהאלקטרונים דוחפים זה את זה לזרימה חסרת חיכוך באופן שהוצע לראשונה על ידי תיאוריה מכובדת כמעט עתיקה כמו התעלומה עצמה.
"הראיה הזו ממש יפה וישירה", אמר סוביר שכדב, פיזיקאי באוניברסיטת הרווארד שבונה תיאוריות לגבי הגבישים, הידועים כקופרטים, ולא היה מעורב בניסוי.
"עבדתי על הבעיה הזו במשך 25 שנה, ואני מקווה שפתרתי אותה", אמר ג'יי סי סימוס דייויס, שהוביל את הניסוי החדש באוניברסיטת אוקספורד. "אני לגמרי נרגש."
המדידה החדשה תואמת תחזית המבוססת על התיאוריה, המייחסת מוליכות-על של cuprate לתופעה קוונטית הנקראת superexchange. "אני נדהם מההסכם הכמותי", אמר אנדרה-מארי טרמבליי, פיזיקאי מאוניברסיטת שרברוק בקנדה ומנהיג הקבוצה שעשתה את התחזית בשנה שעברה.
המחקר מקדם את השאיפה הרב-שנתית של התחום: לקחת מוליכות-על של cuprate ולחזק את המנגנון הבסיסי שלו, על מנת לעצב חומרים משנים עולם המסוגלים להוביל חשמל בטמפרטורות גבוהות עוד יותר. מוליכות-על בטמפרטורת החדר תביא יעילות מושלמת לאלקטרוניקה יומיומית, קווי מתח ועוד, אם כי המטרה נותרה רחוקה.
"אם מחלקה זו של תיאוריה נכונה", אמר דייוויס בהתייחסו לתיאוריית חילופי העל, "צריך להיות אפשרי לתאר חומרים סינתטיים עם אטומים שונים במקומות שונים" שעבורם הטמפרטורה הקריטית גבוהה יותר.
שני דבקים
פיזיקאים נאבקו עם מוליכות-על מאז שנצפתה לראשונה ב-1911. המדענית ההולנדית הייקה קמרלינגה אונס ושותפיה קיררו חוט כספית לכ-4 קלווין (כלומר, 4 מעלות מעל האפס המוחלט) וצפו בתדהמה כיצד ההתנגדות החשמלית צונחת לאפס. . אלקטרונים פסעו במיומנות את דרכם דרך החוט מבלי לייצר חום כשהם התנגשו באטומים שלו - מקור ההתנגדות. זה ייקח "כל החיים של מאמץ", אמר דייוויס, כדי להבין איך.
בהתבסס על תובנות ניסיוניות מפתח מאמצע שנות החמישים, ג'ון ברדין, ליאון קופר וג'ון רוברט שריפר פרסמו את התיאוריה זוכת פרס נובל שלהם של צורה קונבנציונלית זו של מוליכות-על בשנת 1957. "תיאוריית ה-BCS", כפי שהיא ידועה היום, גורסת כי תנודות הנעות דרך שורות של אטומים "מדביקות" אלקטרונים זה לזה. כאשר אלקטרון בעל מטען שלילי טס בין אטומים, הוא מושך אליו את גרעיני האטום הטעונים חיובית וגורם לאדווה. האדווה הזו מושכת אלקטרון שני. בהתגברות על הדחייה החשמלית העזה שלהם, שני האלקטרונים יוצרים "זוג קופר".
"זו תעלול אמיתי של הטבע," אמר יורג שמאליאן, פיזיקאי במכון הטכנולוגי של קרלסרוהה בגרמניה. "צמד קופר הזה לא אמור לקרות."
כאשר אלקטרונים מתחברים, תחבולות קוונטיות נוספות הופכות את מוליכות-העל לבלתי נמנעת. בדרך כלל, אלקטרונים אינם יכולים לחפוף, אבל זוגות קופר פועלים לפי כלל מכאני קוונטי אחר; הם פועלים כמו חלקיקי אור, שכל מספר מהם יכול להיערם על ראש סיכה. זוגות קופר רבים מתאחדים ומתמזגים למצב מכני קוונטי אחד, "נוזל-על", שהופך לא מודע לאטומים שהוא עובר ביניהם.
תיאוריית ה-BCS הסבירה גם מדוע כספית ורוב היסודות המתכתיים האחרים מוליכים כשמתקררים קרוב לאפס המוחלט אך מפסיקים לעשות זאת מעל כמה קלווין. אדוות אטומיות מייצרות את הדבק החלש ביותר. הגבירו את החום, וזה מנער אטומים ושוטף את תנודות הסריג.
ואז בשנת 1986, חוקרי יבמ גאורג בדנורץ ואלכס מולר נתקלו בדבק אלקטרוני חזק יותר בקופרטים: גבישים המורכבים מיריעות של נחושת וחמצן מפוזרות בין שכבות של יסודות אחרים. אחרי שהם הבחין בקופראט במוליכות-על ב-30 קלווין, חוקרים מצאו במהרה אחרים שמוליכי-על מעל 100, ולאחר מכן למעלה 130 קלווינים.
פריצת הדרך השיקה מאמץ נרחב להבין את הדבק הקשיח יותר שאחראי למוליכות-העל הזו "בטמפרטורה גבוהה". אולי אלקטרונים התלכדו יחד כדי ליצור ריכוזי מטען חלקים ומפככים. או אולי הם יצרו אינטראקציה באמצעות ספין, תכונה מהותית של האלקטרון שמכוון אותו לכיוון מסוים, כמו מגנט בגודל קוונטי.
פיליפ אנדרסון המנוח, חתן פרס נובל אמריקאי ואגדה מכל הסוגים בפיזיקה של החומר המעובה, הציג תיאוריה חודשים ספורים לאחר שהתגלתה מוליכות-על בטמפרטורה גבוהה. בלב הדבק, טען, טמונה תופעה קוונטית שתוארה קודם לכן שנקראת חילופי-על - כוח הנובע מיכולתם של אלקטרונים לקפוץ. כאשר אלקטרונים יכולים לדלג בין מספר מיקומים, מיקומם בכל רגע הופך לא ודאי, בעוד המומנטום שלהם הופך להיות מוגדר במדויק. מומנטום חד יותר יכול להיות מומנטום נמוך יותר, ולכן מצב בעל אנרגיה נמוכה יותר, שחלקיקים מחפשים אליו באופן טבעי.
התוצאה היא שהאלקטרונים מחפשים מצבים שבהם הם יכולים לקפוץ. אלקטרון מעדיף להצביע כלפי מטה כאשר שכנו מצביע למעלה, למשל, מכיוון שההבחנה הזו מאפשרת לשני האלקטרונים לדלג בין אותם אטומים. בדרך זו, חילופי-על מבססים דפוס קבוע למעלה-מטה-מעלה למטה של ספינים אלקטרונים בחומרים מסוימים. זה גם דוחף אלקטרונים להישאר במרחק מסוים זה מזה. (רחוק מדי, והם לא יכולים לקפוץ.) זו האטרקציה היעילה שאנדרסון האמין שיכולה ליצור זוגות חזקים של קופר.
נסיינים נאבקו זמן רב בבחינת תיאוריות כמו זו של אנדרסון, שכן תכונות החומר שהם יכלו למדוד, כמו רפלקטיביות או התנגדות, הציעו רק סיכומים גסים של ההתנהגות הקולקטיבית של טריליוני אלקטרונים, לא זוגות.
"אף אחת מהטכניקות המסורתיות של פיזיקת החומר המעובה לא תוכננה כדי לפתור בעיה כזו", אמר דייוויס.
ניסוי-על
דייוויס, פיזיקאי אירי עם מעבדות באוקספורד, אוניברסיטת קורנל, אוניברסיטאי קולג' קורק ובית הספר הבינלאומי למחקר מקס פלנק לכימיה ופיזיקה של חומרים קוונטיים בדרזדן, פיתח בהדרגה כלים לבדיקת קופרטים ברמה האטומית. ניסויים קודמים מדדו את חוזק המוליכות העל של החומר על ידי קירורו עד שהגיע לטמפרטורה הקריטית שבה החלה מוליכות העל - כאשר טמפרטורות חמות יותר מצביעות על דבק חזק יותר. אבל במהלך העשור האחרון, הקבוצה של דייוויס חידדה דרך לדחוף את הדבק סביב אטומים בודדים.
הם שינו טכניקה מבוססת שנקראת מיקרוסקופ מנהור סריקה, הגוררת מחט על פני משטח, מודדת את זרם האלקטרונים המדלגים בין השניים. על ידי החלפת הקצה המתכתי הרגיל של המחט בקצה מוליך-על וסחיפתו על פני קופרט, הם מדדו זרם של זוגות אלקטרונים ולא יחידים. זה מאפשר להם למפות את הצפיפות של זוגות קופר המקיפים כל אטום - מדד ישיר של מוליכות-על. הם פרסמו את התמונה הראשונה של נחילי זוגות קופר in טבע ב 2016.
באותה שנה סיפק ניסוי של פיזיקאים סינים ראיה מרכזית תומכים בתיאוריית חילופי העל של אנדרסון: הם הראו שככל שקל יותר לאלקטרונים לדלג בין אטומי נחושת וחמצן בקופראט נתון, כך הטמפרטורה הקריטית של הקופראט גבוהה יותר (ולכן הדבק שלו חזק יותר). דייויס ועמיתיו ביקשו לשלב את שתי הגישות בגביש יחיד כדי לחשוף בצורה סופית יותר את אופי הדבק.
רגע ה"אהה" הגיע בפגישה קבוצתית מעל זום ב-2020, אמר. החוקרים הבינו שלקופראט שנקרא תחמוצת סידן נחושת ביסמוט (BSCCO, או בקיצור "ביסקו") יש תכונה מוזרה שאיפשרה את ניסוי החלומות שלהם. ב-BSCCO, שכבות אטומי הנחושת והחמצן נלחצות לתבנית גלית על ידי יריעות האטומים שמסביב. זה משנה את המרחקים בין אטומים מסוימים, אשר בתורו משפיע על האנרגיה הנדרשת לקפוץ. השונות גורמת לכאבי ראש לתיאורטיקנים, שאוהבים שהסריגים שלהם מסודרים, אבל היא נתנה לנסיינים בדיוק את מה שהם היו צריכים: מגוון של אנרגיות קופצות בדגימה אחת.
הם השתמשו במיקרוסקופ סורק מסורתי עם קצה מתכת כדי להדביק אלקטרונים על כמה אטומים ולקטוף אותם מאחרים, ולמפות את אנרגיות הדילוג על פני הקופה. לאחר מכן הם החליפו קצה קופרט כדי למדוד את הצפיפות של זוגות קופר סביב כל אטום.
שתי המפות הסתדרו. היכן שהאלקטרונים נאבקו לקפוץ, מוליכות העל הייתה חלשה. היכן שהדילוג היה קל, מוליכות העל הייתה חזקה. הקשר בין אנרגיית הדילוג וצפיפות צמד קופר התאימה מאוד למערכת מתוחכמת חיזוי מספרי משנת 2021 על ידי טרמבליי ועמיתיו, שטענו שהקשר הזה צריך לנבוע מהתיאוריה של אנדרסון.
Superexchange Super Glue
הממצא של דייוויס שאנרגיית הדילוג קשורה לחוזק מוליכות-על, פורסם החודש ב- PNAS של האקדמיה הלאומית למדעים, מרמז בתוקף ש- superexchange הוא דבק העל המאפשר מוליכות-על בטמפרטורה גבוהה.
"זו יצירה נחמדה כי היא מביאה טכניקה חדשה כדי להראות עוד יותר שלרעיון הזה יש רגליים", אמר עלי יזדאני, פיזיקאי באוניברסיטת פרינסטון שפיתח טכניקות דומות ללימוד קופרטים ו מקרים אקזוטיים אחרים של מוליכות-על במקביל לקבוצה של דייויס.
אבל יזדני וחוקרים אחרים מזהירים שעדיין קיים סיכוי, מרוחק ככל שיהיה, שעוצמת הדבק וקלות הדילוג נעים במנעול מסיבה אחרת, ושהתחום נופל למלכודת המתאם-שווה-סיבתיות הקלאסית. עבור יזדני, הדרך האמיתית להוכיח קשר סיבתי תהיה לרתום חילופי-על כדי להנדס כמה מוליכי-על חדשים וראוותניים.
"אם זה יסתיים, בואו נגדיל Tc" הוא אמר בהתייחסו לטמפרטורה הקריטית.
Superexchange הוא לא רעיון חדש, אז הרבה חוקרים כבר חשבו על זה איך לחזק אותו, אולי על ידי מעיכה נוספת של סריג הנחושת והחמצן או ניסויים עם זוגות אלמנטים אחרים. "כבר יש תחזיות על השולחן", אמר טרמבלי.
כמובן, שרטוט שרטוטים אטומיים ועיצוב חומרים שעושים את מה שהחוקרים רוצים אינו מהיר או קל. יתר על כן, אין ערובה שאפילו קופרטים בהזמנה אישית ישיגו טמפרטורות קריטיות גבוהות בהרבה מאלה של קופרטים שאנו כבר מכירים. החוזק של חילופי-על יכול להיות בעל תקרה קשה, בדיוק כפי שנראה לרעידות אטומיות. יש חוקרים שכן חוקרים מועמדים לסוגי דבק שונים לחלוטין ואולי אף חזקים יותר. אחרים למנף לחצים לא ארציים לחזק את התנודות האטומיות המסורתיות.
אבל התוצאה של דייוויס יכולה להמריץ ולמקד את המאמצים של כימאים ומדעני חומרים שמטרתם להרים את מוליכי-העל של cuprate לגבהים גדולים יותר.
"היצירתיות של אנשים שמעצבים חומרים היא בלתי מוגבלת", אמר שמאליאן. "ככל שאנו בטוחים יותר שמנגנון נכון, כך טבעי יותר להשקיע במנגנון הזה".
