Decennia lang heeft een familie van kristallen natuurkundigen verbluft met zijn verbijsterende vermogen om supergeleidend te zijn - dat wil zeggen, een elektrische stroom zonder enige weerstand te voeren - bij veel warmere temperaturen dan andere materialen.
Nu, een experiment dat jaren in de maak is, heeft direct gevisualiseerde supergeleiding op atomaire schaal in een van deze kristallen, waardoor de oorzaak van het fenomeen eindelijk werd onthuld tot bijna ieders tevredenheid. Elektronen lijken elkaar in een wrijvingsloze stroom te duwen op een manier die voor het eerst werd gesuggereerd door een eerbiedwaardige theorie die bijna zo oud is als het mysterie zelf.
"Dit bewijs is echt mooi en direct," zei Subir Sachdev, een natuurkundige aan de Harvard University die theorieën over de kristallen bouwt, bekend als cuprates, en niet betrokken was bij het experiment.
"Ik heb 25 jaar aan dit probleem gewerkt en ik hoop dat ik het heb opgelost", zei JC Seamus Davis, die het nieuwe experiment leidde aan de Universiteit van Oxford. "Ik ben absoluut opgewonden."
De nieuwe meting komt overeen met een voorspelling op basis van de theorie, die cuprate-supergeleiding toeschrijft aan een kwantumfenomeen dat superuitwisseling wordt genoemd. "Ik sta versteld van de kwantitatieve overeenkomst," zei André-Marie Tremblay, een natuurkundige aan de Universiteit van Sherbrooke in Canada en de leider van de groep die vorig jaar de voorspelling deed.
Het onderzoek bevordert de eeuwige ambitie van het veld: het nemen van cuprate supergeleiding en het versterken van het onderliggende mechanisme, om wereldveranderende materialen te ontwerpen die in staat zijn om elektriciteit supergeleidend te maken bij nog hogere temperaturen. Supergeleiding bij kamertemperatuur zou perfecte efficiëntie brengen voor alledaagse elektronica, hoogspanningsleidingen en meer, hoewel het doel ver weg blijft.
"Als deze klasse van theorie correct is", zei Davis, verwijzend naar de superuitwisselingstheorie, "zou het mogelijk moeten zijn om synthetische materialen met verschillende atomen op verschillende locaties te beschrijven" waarvoor de kritische temperatuur hoger is.
Twee lijmen
Natuurkundigen worstelen met supergeleiding sinds het voor het eerst werd waargenomen in 1911. De Nederlandse wetenschapper Heike Kamerlingh Onnes en medewerkers koelden een kwikdraad af tot ongeveer 4 kelvin (dat wil zeggen 4 graden boven het absolute nulpunt) en keken met verbazing toe hoe de elektrische weerstand tot nul daalde . Elektronen baanden zich behendig een weg door de draad zonder warmte te genereren toen ze in botsing kwamen met de atomen - de oorsprong van weerstand. Het zou "een leven lang moeite kosten", zei Davis, om erachter te komen hoe.
Voortbouwend op belangrijke experimentele inzichten uit het midden van de jaren vijftig, John Bardeen, Leon Cooper en John Robert Schrieffer publiceerden hun Nobelprijswinnende theorie van deze conventionele vorm van supergeleiding in 1957. De 'BCS-theorie', zoals die tegenwoordig bekend is, stelt dat trillingen die door rijen atomen bewegen elektronen aan elkaar 'lijmen'. Terwijl een negatief geladen elektron tussen atomen vliegt, trekt het de positief geladen atoomkernen naar zich toe en veroorzaakt een rimpeling. Die rimpel trekt een tweede elektron aan. De twee elektronen overwinnen hun felle elektrische afstoting en vormen een "Cooper-paar".
"Het is echt bedrog van de natuur," zei Jörg Schmalian, een natuurkundige aan het Karlsruhe Institute of Technology in Duitsland. "Dit Cooper-paar hoort niet te gebeuren."
Wanneer elektronen zich koppelen, maakt verdere kwantumbedrog supergeleiding onvermijdelijk. Normaal gesproken kunnen elektronen elkaar niet overlappen, maar Cooper-paren volgen een andere kwantummechanische regel; ze werken als lichtdeeltjes, waarvan een willekeurig aantal zich op de kop van een speld kan ophopen. Veel Cooper-paren komen samen en versmelten tot een enkele kwantummechanische toestand, een 'superfluïde', die zich niet bewust wordt van de atomen waartussen het passeert.
De BCS-theorie verklaarde ook waarom kwik en de meeste andere metaalelementen supergeleidend zijn wanneer ze dicht bij het absolute nulpunt worden gekoeld, maar dit niet meer doen boven een paar kelvin. Atoomrimpelingen zorgen voor de zwakste lijm. Zet het vuur hoger, en het schudt atomen en spoelt de roostertrillingen weg.
Toen, in 1986, stuitten IBM-onderzoekers Georg Bednorz en Alex Müller op een sterkere elektronenlijm in cuprates: kristallen bestaande uit vellen koper en zuurstof afgewisseld tussen lagen van andere elementen. Nadat zij observeerde een cuprate supergeleidend bij 30 kelvin, ontdekten onderzoekers al snel anderen die supergeleidend waren boven 100, en dan hierboven 130 Kelvin.
De doorbraak lanceerde een wijdverbreide poging om de hardere lijm te begrijpen die verantwoordelijk is voor deze "hoge temperatuur" supergeleiding. Misschien zijn elektronen samengebundeld om fragmentarische, golvende ladingsconcentraties te creëren. Of misschien wisselden ze in via spin, een intrinsieke eigenschap van het elektron die het in een bepaalde richting oriënteert, zoals een magneet van kwantumgrootte.
Wijlen Philip Anderson, een Amerikaanse Nobelprijswinnaar en alomtegenwoordige legende in de fysica van de gecondenseerde materie, bracht naar voren: een theorie slechts enkele maanden nadat supergeleiding bij hoge temperatuur werd ontdekt. In het hart van de lijm, zo betoogde hij, lag een eerder beschreven kwantumfenomeen genaamd superuitwisseling - een kracht die voortkomt uit het vermogen van elektronen om te springen. Wanneer elektronen tussen meerdere locaties kunnen springen, wordt hun positie op elk moment onzeker, terwijl hun momentum nauwkeurig wordt gedefinieerd. Een scherper momentum kan een lager momentum zijn, en dus een lagere energietoestand, waar deeltjes van nature naar op zoek zijn.
Het resultaat is dat elektronen situaties zoeken waarin ze kunnen springen. Een elektron wijst bij voorkeur naar beneden wanneer zijn buur naar boven wijst, omdat dit onderscheid ervoor zorgt dat de twee elektronen tussen dezelfde atomen kunnen springen. Op deze manier vestigt superuitwisseling een regelmatig op-omlaag-op-omlaag patroon van elektronenspins in sommige materialen. Het duwt ook elektronen aan om op een bepaalde afstand van elkaar te blijven. (Te ver, en ze kunnen niet springen.) Het is deze effectieve aantrekkingskracht die volgens Anderson sterke Cooper-paren zou kunnen vormen.
Experimentalisten hebben lang geworsteld om theorieën zoals die van Anderson te testen, omdat materiaaleigenschappen die ze konden meten, zoals reflectiviteit of weerstand, alleen ruwe samenvattingen boden van het collectieve gedrag van biljoenen elektronen, niet van paren.
"Geen van de traditionele technieken van de fysica van de gecondenseerde materie is ooit ontworpen om een probleem als dit op te lossen," zei Davis.
Super-experiment
Davis, een Ierse natuurkundige met laboratoria aan Oxford, Cornell University, University College Cork en de International Max Planck Research School for Chemistry and Physics of Quantum Materials in Dresden, heeft geleidelijk hulpmiddelen ontwikkeld om cuprates op atomair niveau te onderzoeken. Eerdere experimenten maten de sterkte van de supergeleiding van een materiaal door het af te koelen totdat het de kritische temperatuur bereikte waar supergeleiding begon - waarbij warmere temperaturen duiden op sterkere lijm. Maar in de afgelopen tien jaar heeft Davis' groep een manier verfijnd om de lijm rond individuele atomen te prikken.
Ze hebben een gevestigde techniek aangepast, scanning tunneling microscopie genaamd, die een naald over een oppervlak sleept en de stroom meet van elektronen die tussen de twee springen. Door de normale metalen punt van de naald te verwisselen voor een supergeleidende punt en deze over een cuprate te vegen, maten ze een stroom van elektronenparen in plaats van individuen. Hierdoor konden ze de dichtheid van Cooper-paren rond elk atoom in kaart brengen - een directe maat voor supergeleiding. Ze publiceerden de eerste afbeelding van zwermen Cooper-paren in NATUUR in 2016.
Datzelfde jaar leverde een experiment van Chinese natuurkundigen een belangrijk bewijsstuk ter ondersteuning van Anderson's superuitwisselingstheorie: ze toonden aan dat hoe gemakkelijker het is voor elektronen om tussen koper- en zuurstofatomen in een bepaalde cuprate te springen, hoe hoger de kritische temperatuur van de cuprate (en dus hoe sterker de lijm). Davis en zijn collega's probeerden de twee benaderingen te combineren in een enkel cupraatkristal om de aard van de lijm overtuigender te onthullen.
Het "aha" -moment kwam in 2020 tijdens een groepsbijeenkomst via Zoom, zei hij. De onderzoekers realiseerden zich dat een cupraat genaamd bismut strontium calcium koperoxide (BSCCO, of "bisko", in het kort) een eigenaardig kenmerk had dat hun droomexperiment mogelijk maakte. In BSCCO worden de lagen koper- en zuurstofatomen in een golvend patroon geperst door de omringende lagen atomen. Dit varieert de afstanden tussen bepaalde atomen, wat op zijn beurt van invloed is op de energie die nodig is om te springen. De variatie veroorzaakt hoofdpijn voor theoretici, die graag hun roosters netjes houden, maar het gaf de experimentatoren precies wat ze nodig hadden: een reeks springenergieën in één monster.
Ze gebruikten een traditionele scanningmicroscoop met een metalen punt om elektronen op sommige atomen te plakken en ze van andere te plukken, waarbij de springenergieën over de cuprate in kaart werden gebracht. Vervolgens verwisselden ze een cuprate-tip om de dichtheid van Cooper-paren rond elk atoom te meten.
De twee kaarten stonden op een rij. Waar elektronen moeite hadden om te springen, was de supergeleiding zwak. Waar hoppen gemakkelijk was, was supergeleiding sterk. De relatie tussen springenergie en Cooper-paardichtheid kwam nauw overeen met een geavanceerde numerieke voorspelling uit 2021 door Tremblay en collega's, die betoogden dat deze relatie zou moeten volgen uit de theorie van Anderson.
Superexchange superlijm
Davis' bevinding dat hoppende energie verband houdt met supergeleidingssterkte, deze maand gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences, impliceert sterk dat superexchange de superlijm is die supergeleiding bij hoge temperaturen mogelijk maakt.
"Het is een mooi stuk werk omdat het een nieuwe techniek met zich meebrengt om verder te laten zien dat dit idee benen heeft", zei Ali Yazdani, een natuurkundige aan de Princeton University die vergelijkbare technieken heeft ontwikkeld om cuprates en andere exotische gevallen van supergeleiding parallel met de groep van Davis.
Maar Yazdani en andere onderzoekers waarschuwen dat er nog steeds een kans is, hoe klein ook, dat de lijmkracht en het gemak van hoppen om een andere reden in de pas lopen, en dat het veld in de klassieke valstrik van correlatie-gelijk-oorzaken valt. Voor Yazdani is de echte manier om een causaal verband te bewijzen het gebruik van superuitwisseling om een aantal flitsende nieuwe supergeleiders te ontwikkelen.
"Als het klaar is, laten we dan verhogen Tc', zei hij, verwijzend naar de kritische temperatuur.
Superexchange is geen nieuw idee, dus veel onderzoekers hebben er al over nagedacht hoe het te versterken?, misschien door het koper- en zuurstofrooster verder te pletten of te experimenteren met andere paren elementen. "Er liggen al voorspellingen op tafel", zei Tremblay.
Natuurlijk is het niet snel of gemakkelijk om atomaire blauwdrukken te schetsen en materialen te ontwerpen die doen wat onderzoekers willen. Bovendien is er geen garantie dat zelfs op maat gemaakte cuprates kritische temperaturen bereiken die veel hoger zijn dan die van de cuprates die we al kennen. De kracht van superuitwisseling kan een hard plafond hebben, net zoals atomaire trillingen dat lijken. Sommige onderzoekers zijn kandidaten onderzoeken voor heel andere en mogelijk nog sterkere lijmsoorten. anderen gebruik maken van onaardse druk om de traditionele atomaire trillingen te versterken.
Maar het resultaat van Davis zou de inspanningen van scheikundigen en materiaalwetenschappers die cuprate-supergeleiders naar grotere hoogten willen tillen, stimuleren en focussen.
"De creativiteit van mensen die materialen ontwerpen is grenzeloos", zegt Schmalian. "Hoe meer vertrouwen we hebben dat een mechanisme klopt, hoe natuurlijker het is om hierin verder te investeren."
