수십 년 동안 결정 계열은 다른 물질보다 훨씬 더 높은 온도에서 저항 없이 전류를 전달하는 초전도 능력으로 물리학자들을 난처하게 만들었습니다.
이제 몇 년간의 실험을 통해 직접 시각화된 초전도 이 결정 중 하나에서 원자 규모로, 마침내 거의 모든 사람이 만족할 정도로 현상의 원인을 드러냅니다. 전자는 신비 자체만큼이나 오래된 유서 깊은 이론에서 처음 제안한 방식으로 서로를 마찰 없는 흐름으로 밀어 넣는 것처럼 보입니다.
"이 증거는 정말 아름답고 직접적입니다." 수비르 사크데프, 큐프레이트로 알려진 결정 이론을 구축한 하버드 대학의 물리학자이며 실험에 참여하지 않았습니다.
"저는 25년 동안 이 문제를 해결해 왔으며 해결했으면 합니다."라고 말했습니다. JC 시무스 데이비스, 그는 옥스포드 대학에서 새로운 실험을 주도했습니다. "정말 감동입니다."
새로운 측정은 초교환(superexchange)이라고 하는 양자 현상에 큐레이트 초전도성을 부여하는 이론에 기반한 예측과 일치합니다. “양적 합의에 놀랐다” 앙드레 마리 트렘블레이, 캐나다 셔브룩 대학의 물리학자이자 작년에 예측한 그룹의 리더입니다.
이 연구는 더 높은 온도에서 전기를 초전도할 수 있는 세상을 변화시키는 물질을 설계하기 위해 이 분야의 영원한 야망을 발전시킵니다. 상온 초전도는 일상적인 전자 제품, 전력선 등에 완벽한 효율성을 제공할 것이지만 목표는 아직 멀었습니다.
데이비스는 초교환 이론을 언급하며 "이런 종류의 이론이 옳다면 임계 온도가 더 높은 다른 위치에 다른 원자를 가진 합성 물질을 기술하는 것이 가능해야 한다"고 말했다.
두 개의 접착제
물리학자들은 초전도 현상이 1911년에 처음 관찰된 이후로 어려움을 겪고 있습니다. 네덜란드 과학자 Heike Kamerlingh Onnes와 공동 연구자들은 수은 와이어를 약 4 켈빈(즉, 절대 영도보다 4도 높음)으로 냉각한 후 전기 저항이 XNUMX으로 떨어지는 것을 놀라운 눈으로 지켜보았습니다. . 전자는 저항의 근원인 원자와 충돌할 때 열을 발생시키지 않고 도선을 능숙하게 통과했습니다. Davis는 방법을 알아내려면 "평생 노력"이 필요할 것이라고 말했습니다.
1950년대 중반, John Bardeen, Leon Cooper 및 John Robert Schrieffer의 주요 실험적 통찰력을 기반으로 합니다. 노벨상 수상 이론 발표 오늘날 알려진 "BCS 이론"은 원자 열을 통해 이동하는 진동이 전자를 함께 "접착"한다고 주장합니다. 음전하를 띤 전자가 원자 사이를 날아갈 때 양전하를 띤 원자핵을 끌어당겨 파문을 일으킵니다. 그 리플은 두 번째 전자를 끌어들입니다. 격렬한 전기 반발력을 극복하고 두 전자는 "쿠퍼 쌍"을 형성합니다.
"그것은 진정한 자연의 속임수입니다"라고 말했습니다. 외르크 슈말리안, 독일 칼스루에 공과대학의 물리학자. "이 쿠퍼 쌍은 일어나서는 안됩니다."
전자가 결합되면 추가 양자 속임수가 초전도성을 피할 수 없게 만듭니다. 일반적으로 전자는 겹칠 수 없지만 쿠퍼 쌍은 다른 양자 역학 규칙을 따릅니다. 그들은 빛의 입자처럼 행동하며 그 중 몇 개라도 핀 머리에 쌓일 수 있습니다. 많은 Cooper 쌍이 함께 모여 단일 양자 역학 상태, 즉 "초유체"로 합쳐지며, 이 상태는 통과하는 원자를 잊게 됩니다.
BCS 이론은 또한 수은과 대부분의 다른 금속 원소가 절대 영도에 가깝게 냉각될 때 초전도되지만 몇 켈빈 이상에서는 그렇게 하지 않는 이유를 설명했습니다. 원자 잔물결은 가장 약한 접착제를 만듭니다. 열을 높이면 원자가 흔들리고 격자 진동이 사라집니다.
그런 다음 1986년 IBM 연구원 Georg Bednorz와 Alex Müller는 다른 원소 층 사이에 산재된 구리 시트와 산소 시트로 구성된 결정인 큐프레이트에서 더 강력한 전자 접착제를 발견했습니다. 그들이 후에 큐레이트를 관찰했다 30 켈빈에서 초전도, 연구자들은 곧 다른 사람들이 초전도를 발견 100 이상, 그리고 위 130켈빈.
이 돌파구는 이 "고온" 초전도성을 담당하는 더 단단한 접착제를 이해하기 위한 광범위한 노력을 시작했습니다. 아마도 전자가 뭉쳐서 고르지 않고 물결치는 전하 농도를 생성했을 것입니다. 또는 양자 크기 자석과 같이 특정 방향으로 전자를 배향시키는 고유한 특성인 스핀을 통해 상호 작용했을 수 있습니다.
미국의 노벨상 수상자이자 응집 물질 물리학의 전설적인 고(故) 필립 앤더슨(Philip Anderson)은 다음과 같이 말했습니다. 이론 고온 초전도 현상이 발견된 지 불과 몇 달 후. 그는 접착제의 핵심에는 초교환(superexchange)이라고 하는 이전에 설명된 양자 현상이 있다고 주장했습니다. 이는 전자의 도약 능력에서 발생하는 힘입니다. 전자가 여러 위치 사이를 이동할 수 있으면 어느 순간의 위치가 불확실해지고 운동량이 정확하게 정의됩니다. 더 날카로운 운동량은 더 낮은 운동량일 수 있으며 따라서 입자가 자연스럽게 찾는 더 낮은 에너지 상태가 될 수 있습니다.
결론은 전자가 도약할 수 있는 상황을 찾는 것입니다. 예를 들어, 전자는 이웃이 위쪽을 가리킬 때 아래쪽을 가리키는 것을 선호합니다. 이러한 구별로 인해 두 전자가 동일한 원자 사이를 이동할 수 있기 때문입니다. 이러한 방식으로, 슈퍼 교환은 일부 재료에서 전자 스핀의 규칙적인 상하위 패턴을 확립합니다. 또한 전자가 일정한 거리를 유지하도록 유도합니다. (너무 멀고 뛸 수 없습니다.) Anderson은 강력한 Cooper 쌍을 형성할 수 있다고 믿었습니다.
실험주의자들은 반사율이나 저항과 같이 측정할 수 있는 물질적 특성이 쌍이 아닌 수조 전자의 집합적 거동에 대한 조잡한 요약만을 제공했기 때문에 Anderson의 이론과 같은 이론을 테스트하기 위해 오랫동안 고심했습니다.
Davis는 "응축 물질 물리학의 전통적인 기술 중 어느 것도 이와 같은 문제를 해결하도록 설계된 적이 없습니다.
슈퍼 실험
Oxford, Cornell University, University College Cork 및 Dresden의 화학 및 양자 재료 물리학을 위한 International Max Planck 연구 학교에 연구실을 보유한 아일랜드 물리학자인 Davis는 원자 수준에서 큐프레이트를 조사하는 도구를 점진적으로 개발했습니다. 이전 실험에서는 재료가 초전도가 시작된 임계 온도에 도달할 때까지 냉각하여 재료의 초전도 강도를 측정했습니다. 온도가 높을수록 접착제가 더 강함을 나타냅니다. 그러나 지난 XNUMX년 동안 Davis의 그룹은 개별 원자 주위에 접착제를 자극하는 방법을 개선했습니다.
그들은 표면을 가로질러 바늘을 끌고 둘 사이를 뛰어다니는 전자의 전류를 측정하는 주사 터널링 현미경(scanning tunneling microscopy)이라는 기존 기술을 수정했습니다. 바늘의 일반 금속 팁을 초전도 팁으로 교체하고 큐프레이트를 가로질러 훑어냄으로써, 그들은 개별보다는 전자 쌍의 전류를 측정했습니다. 이를 통해 각 원자를 둘러싼 쿠퍼 쌍의 밀도를 매핑할 수 있습니다. 즉, 초전도도를 직접 측정할 수 있습니다. 의 첫 번째 이미지를 공개했습니다. 쿠퍼 쌍의 떼 in 자연 2016 인치
같은 해 중국 물리학자들의 실험에서 중요한 증거 Anderson의 초교환 이론 지원: 그들은 주어진 cuprate에서 전자가 구리와 산소 원자 사이를 더 쉽게 이동할 수 있을수록 cuprate의 임계 온도가 더 높아집니다(따라서 접착제가 더 강해짐)는 것을 보여주었습니다. Davis와 그의 동료들은 접착제의 특성을 보다 결정적으로 드러내기 위해 단일 큐프레이트 결정에서 두 가지 접근 방식을 결합하려고 했습니다.
'아하' 순간은 2020년 줌(Zoom)을 통한 단체 모임에서 왔다고 한다. 연구원들은 비스무트 스트론튬 칼슘 구리 산화물(BSCCO, 줄여서 "bisko")이라고 불리는 큐프레이트가 꿈의 실험을 가능하게 하는 독특한 특징을 가지고 있다는 것을 깨달았습니다. BSCCO에서 구리와 산소 원자 층은 주변 원자 시트에 의해 물결 모양 패턴으로 압착됩니다. 이것은 특정 원자 사이의 거리를 변화시켜 호핑에 필요한 에너지에 영향을 줍니다. 이 변형은 격자가 깔끔한 것을 좋아하는 이론가들에게는 골치거리를 일으키지만 실험자들에게 정확히 그들이 필요로 하는 것, 즉 하나의 샘플에서 다양한 호핑 에너지를 제공했습니다.
그들은 금속 팁이 있는 전통적인 주사 현미경을 사용하여 전자를 일부 원자에 붙이고 다른 원자에서 뽑아내어 큐프레이트를 가로질러 호핑 에너지를 매핑했습니다. 그런 다음 그들은 각 원자 주위의 쿠퍼 쌍의 밀도를 측정하기 위해 큐프레이트 팁으로 교체했습니다.
두 개의 지도가 나란히 놓여 있습니다. 전자가 도약하기 위해 고군분투하는 곳에서는 초전도가 약했습니다. 호핑이 쉬운 곳에서는 초전도가 강했습니다. 호핑 에너지와 Cooper pair density의 관계는 정교하게 일치했습니다. 수치 예측 Tremblay와 동료들은 2021년부터 이 관계가 Anderson의 이론을 따라야 한다고 주장했습니다.
슈퍼 익스체인지 슈퍼 글루
호핑 에너지가 초전도 강도와 관련이 있다는 Davis의 발견은 이번 달에 발표되었습니다. 과학 국립 아카데미의 절차, 초교환이 고온 초전도를 가능하게 하는 초접착제임을 강하게 암시한다.
"이 아이디어에 다리가 있음을 보여주는 새로운 기술을 제공하기 때문에 좋은 작품입니다."라고 말했습니다. 알리 야즈다니, 큐프레이트와 큐프라테스를 연구하는 유사한 기술을 개발한 프린스턴 대학의 물리학 다른 이국적인 사례 Davis의 그룹과 병렬로 초전도의.
그러나 Yazdani와 다른 연구원들은 다른 이유로 인해 접착제의 강도와 도약의 용이함은 비록 아주 멀기는 하지만 여전히 가능성이 있으며 이 분야가 고전적인 상관 관계-동등 인과 관계 함정에 빠지고 있다고 경고합니다. Yazdani의 경우 인과 관계를 증명하는 진정한 방법은 초교환을 활용하여 일부 화려한 새 초전도체를 설계하는 것입니다.
"끝나면 늘리자. Tc"라고 임계온도를 언급했다.
Superexchange는 새로운 아이디어가 아니므로 많은 연구자들이 이미 생각했습니다. 그것을 강화하는 방법, 아마도 구리와 산소 격자를 더 찌그러뜨리거나 다른 원소 쌍을 실험함으로써. Tremblay는 "이미 테이블에 예측이 있습니다.
물론 연구원들이 원하는 대로 원자 청사진을 스케치하고 재료를 설계하는 것은 빠르고 쉬운 일이 아닙니다. 더욱이, 맞춤형 cuprate가 우리가 이미 알고 있는 cuprate보다 훨씬 더 높은 임계 온도를 달성할 것이라는 보장도 없습니다. 초교환의 힘은 원자 진동이 보이는 것처럼 단단한 한계를 가질 수 있습니다. 일부 연구자들은 후보자 조사 완전히 다르고 잠재적으로 더 강력한 유형의 접착제에 사용됩니다. 기타 기이한 압력을 이용하다 전통적인 원자 진동을 지지하기 위해.
그러나 Davis의 결과는 큐프레이트 초전도체를 더 높은 수준으로 끌어올리는 것을 목표로 하는 화학자와 재료 과학자의 노력에 활력을 불어넣고 집중할 수 있습니다.
"재료를 디자인하는 사람들의 창의성은 무한합니다."라고 Schmalian은 말했습니다. "메커니즘이 옳다고 확신할수록 이 메커니즘에 더 많이 투자하는 것이 더 자연스럽습니다."
