何十年もの間、あるファミリーの結晶は、他の物質よりもはるかに高い温度で超伝導 (つまり、抵抗なしで電流を運ぶ) という不可解な能力で物理学者を困惑させてきました。
現在、何年もかけて実験が行われています 直接可視化された超伝導 これらの結晶の XNUMX つの原子スケールで、最終的に現象の原因が明らかになり、ほぼ全員が満足しました。 電子は、ミステリー自体とほぼ同じくらい古い由緒ある理論によって最初に示唆された方法で、摩擦のない流れにお互いを微調整しているように見えます。
「この証拠は本当に美しく直接的です。」 スビル・サチデフ、銅酸化物として知られる結晶の理論を構築するハーバード大学の物理学者であり、実験には関与していませんでした。
「私はこの問題に 25 年間取り組んできましたが、解決できたことを願っています。 JCシーマス・デイビス、オックスフォード大学で新しい実験を主導した。 「私は絶対にわくわくしています。」
新しい測定値は、銅酸化物超伝導を超交換と呼ばれる量子現象に帰する理論に基づく予測と一致しています。 「私は量的な一致に驚いています」と言いました。 アンドレ・マリー・トランブレ、カナダのシャーブルック大学の物理学者であり、昨年予測を行ったグループのリーダーです。
この研究は、この分野の長年の野心を前進させます。それは、さらに高い温度で電気を超伝導できる世界を変える材料を設計するために、銅酸塩の超伝導性を利用し、その根底にあるメカニズムを強化することです。 室温超伝導は、日常の電子機器、電力線などに完全な効率をもたらすでしょうが、その目的はまだ遠いものです.
「このクラスの理論が正しければ」とデイビス氏は、超交換理論に言及して、「異なる原子が異なる場所にある合成物質を記述することが可能になるはずです」と述べ、臨界温度はより高くなります。
XNUMX つの接着剤
1911 年に初めて超伝導が観測されて以来、物理学者は超伝導に取り組んできました。オランダの科学者ハイケ・カマーリング・オネスと共同研究者は、水銀線を約 4 ケルビン (つまり、絶対零度より 4 度高い温度) まで冷却し、電気抵抗が急降下してゼロになるのを驚きとともに観察しました。 . 電子は、抵抗の起源である原子と衝突したときに熱を発生させることなく、ワイヤを巧みに通り抜けました。 デイビス氏は、その方法を理解するには「一生の努力」が必要になるだろうと述べた.
1950 年代半ばからの重要な実験的洞察に基づいて、ジョン・バーディーン、レオン・クーパー、ジョン・ロバート・シュリーファー ノーベル賞受賞理論を発表 今日知られているように、「BCS 理論」は、原子の列を移動する振動が電子を「接着」すると考えています。 負に帯電した電子が原子間を飛行すると、正に帯電した原子核が引き寄せられ、波紋が発生します。 その波紋が 1957 番目の電子を引き込みます。 XNUMX つの電子は、激しい電気的反発を克服して「クーパー対」を形成します。
「それは自然の本当の策略です」と言いました イェルク・シュマリアン、ドイツのカールスルーエ工科大学の物理学者。 「このクーパーのペアは実現しないはずです。」
電子が結合すると、さらなる量子トリックにより超伝導が不可避になります。 通常、電子は重なり合うことはできませんが、クーパー対は別の量子力学的規則に従います。 それらは光の粒子のように機能し、ピンの頭にいくつでも積み重なることができます。 多くのクーパー対が一緒になって単一の量子力学的状態、つまり「超流動」に融合し、その間を通過する原子を意識しなくなります。
BCS 理論は、水銀や他のほとんどの金属元素が絶対零度近くまで冷却されると超伝導するが、数ケルビンを超えると超伝導を停止する理由も説明しました。 原子の波紋は、最も弱い接着剤になります。 熱を上げると、原子が揺れ、格子振動が洗い流されます。
その後、1986 年に、IBM の研究者である Georg Bednorz と Alex Müller は、銅酸化物の強力な電子接着剤に出くわしました。これは、他の元素の層の間に散在する銅と酸素のシートで構成される結晶です。 彼らの後 銅酸化物を観察した 30 ケルビンで超伝導し、研究者はすぐに他の超伝導体を発見しました。 100上記、そして上 130ケルビン.
このブレークスルーにより、この「高温」超伝導の原因となるより丈夫な接着剤を理解するための広範な取り組みが開始されました。 おそらく、電子が集まって斑点状のさざなみの電荷濃度を作り出したのでしょう。 あるいは、量子サイズの磁石のように、電子を特定の方向に向ける電子固有の特性であるスピンを介して相互作用したのかもしれません。
アメリカのノーベル賞受賞者であり、凝縮物質物理学の万能な伝説である故フィリップ・アンダーソンは、 理論 高温超伝導が発見されてからわずか数ヶ月。 彼は、接着剤の中心には、超交換と呼ばれる以前に説明された量子現象、つまり電子の飛び跳ねる能力から生じる力があると主張した。 電子が複数の場所の間を飛び回ることができる場合、その瞬間の位置は不確かになりますが、運動量は正確に定義されます。 より鋭い運動量はより低い運動量になる可能性があり、したがって粒子が自然に求める低エネルギー状態になります。
要するに、電子は飛び跳ねることができる状況を探すということです。 たとえば、隣の電子が上を指している場合、電子は下を指すことを好みます。これは、この区別により、XNUMX つの電子が同じ原子間を移動できるためです。 このようにして、超交換は、いくつかの材料で電子スピンの規則的な上下パターンを確立します。 また、電子が一定の距離を保てるように微調整します。 (遠すぎて、飛び跳ねることができません。) アンダーソンが強力なクーパー ペアを形成できると信じていたのは、この効果的な引力です。
実験家は、反射率や抵抗など、彼らが測定できる材料特性がペアではなく、数兆個の電子の集団的挙動の大まかな要約しか提供しなかったため、アンダーソンのような理論をテストするのに長い間苦労しました。
「凝縮物質物理学の従来の技術は、このような問題を解決するように設計されたことはありませんでした」と Davis 氏は述べています。
超実験
オックスフォード大学、コーネル大学、ユニバーシティ カレッジ コーク、ドレスデンの国際マックス プランク化学物理学研究所に研究室を持つアイルランドの物理学者である Davis は、原子レベルで銅酸塩を精査するためのツールを徐々に開発してきました。 以前の実験では、超伝導が始まる臨界温度に達するまで材料を冷却することで、材料の超伝導の強度を測定していました。 しかし、過去 XNUMX 年間で、Davis のグループは、個々の原子の周りに接着剤を突き刺す方法を改良してきました。
彼らは、走査型トンネル顕微鏡法と呼ばれる確立された技術を修正しました。これは、表面上で針を引きずり、XNUMX つの間で跳躍する電子の流れを測定します。 針の通常の金属チップを超伝導チップに交換し、それを銅酸化物上で掃引することにより、個々ではなく電子対の電流を測定しました。 これにより、各原子を取り囲むクーパー対の密度をマッピングできるようになりました。これは、超伝導の直接的な尺度です。 彼らはの最初の画像を公開しました クーパーペアの群れ in 自然 2016インチ
その同じ年、中国の物理学者による実験が提供されました 重要な証拠 アンダーソンの超交換理論を支持する：彼らは、電子が特定の銅酸塩の銅原子と酸素原子の間を飛び回るのが容易であるほど、銅酸塩の臨界温度が高くなることを示した（したがって、その接着剤はより強力になる）. Davisと彼の同僚は、接着剤の性質をより決定的に明らかにするために、XNUMXつのアプローチを単一の銅酸塩結晶に結合しようとしました.
「あはは」の瞬間は、2020年にズームを介したグループ会議で発生したと彼は言いました. 研究者たちは、ビスマスストロンチウムカルシウム銅酸化物（BSCCO、または略して「ビスコ」）と呼ばれる銅酸塩が、彼らの夢の実験を可能にする独特の特徴を持っていることに気付きました. BSCCO では、銅原子と酸素原子の層が、周囲の原子シートによって波状のパターンに押しつぶされます。 これにより、特定の原子間の距離が変化し、ホップに必要なエネルギーに影響します。 この変動は、格子がきちんと整頓されているのが好きな理論家にとっては頭痛の種ですが、実験者がまさに必要としていたもの、つまり XNUMX つのサンプル内のさまざまなホッピング エネルギーを与えてくれました。
彼らは、金属チップを備えた従来の走査型顕微鏡を使用して、電子をいくつかの原子に付着させ、他の原子から引き抜き、銅酸塩全体のホッピングエネルギーをマッピングしました。 次に、銅酸化物チップを交換して、各原子の周りのクーパー対の密度を測定しました。
XNUMXつのマップが並んでいます。 電子が飛び跳ねるのに苦労している場所では、超伝導は弱かった。 ホッピングが簡単なところは、超伝導が強かった。 ホッピングエネルギーとクーパーペア密度の関係は、洗練された 数値予測 この関係はアンダーソンの理論に従うべきであると主張した Tremblay と同僚による 2021 年から。
スーパーエクスチェンジスーパーグルー
ホッピング エネルギーが超伝導強度と関連しているという Davis の発見は、今月、 米国科学アカデミー紀要、超交換が高温超伝導を可能にするスーパーグルーであることを強く示唆しています。
「このアイデアに説得力があることをさらに示すために、新しいテクニックをもたらしてくれる素晴らしい作品です。」 アリ・ヤズダニ、プリンストン大学の物理学者で、銅酸化物を研究するための同様の技術を開発しました。 その他のエキゾチックなインスタンス デイビスのグループと並行して超伝導の。
しかしヤズダニと他の研究者は、接着剤の強さとホッピングのしやすさが別の理由で足並みをそろえている可能性はまだあると警告している。 ヤズダニにとって、因果関係を証明する本当の方法は、超交換を利用して派手な新しい超伝導体を設計することです。
「終わったら増やそう Tc」と彼は臨界温度に言及して言った。
超交換は新しいアイデアではないため、多くの研究者がすでに考えています どうやって強化するの、おそらく銅と酸素の格子をさらに押しつぶすか、他の元素のペアで実験することによって. 「すでに予測が立てられています」と Tremblay 氏は述べています。
もちろん、原子の設計図をスケッチし、研究者が望むように材料を設計することは、迅速でも簡単でもありません。 さらに、特注の銅酸化物でさえ、既知の銅酸化物よりもはるかに高い臨界温度に達するという保証はありません。 超交換の強さは、原子の振動がそうであるように、厳しい天井を持つ可能性があります。 一部の研究者は、 候補者の調査 まったく異なる、潜在的にさらに強力なタイプの接着剤用。 その他 世俗的な圧力を利用する 伝統的な原子振動を強化します。
しかし、デイビスの結果は、銅酸化物超伝導体をより高いレベルに引き上げることを目指す化学者や材料科学者の努力を活性化し、集中させる可能性があります。
「素材をデザインする人々の創造性は無限です」と Schmalian 氏は言います。 「メカニズムが正しいと確信すればするほど、このメカニズムにさらに投資するのが自然になります。」
