I flere tiår har en familie av krystaller overveldet fysikere med sin forvirrende evne til å superlede - det vil si å bære en elektrisk strøm uten motstand - ved langt varmere temperaturer enn andre materialer.
Nå har et eksperiment år på gang direkte visualisert superledning på atomskala i en av disse krystallene, og til slutt avslører årsaken til fenomenet til nesten alles tilfredshet. Elektroner ser ut til å dytte hverandre inn i en friksjonsfri strøm på en måte som først ble foreslått av en ærverdig teori nesten like gammel som selve mysteriet.
"Disse bevisene er virkelig vakre og direkte," sa Subir Sachdev, en fysiker ved Harvard University som bygger teorier om krystallene, kjent som cuprates, og var ikke involvert i eksperimentet.
"Jeg har jobbet med dette problemet i 25 år, og jeg håper jeg har løst det," sa J.C. Séamus Davis, som ledet det nye eksperimentet ved University of Oxford. "Jeg er helt begeistret."
Den nye målingen samsvarer med en prediksjon basert på teorien, som tilskriver cuprat-superledning til et kvantefenomen kalt superutveksling. "Jeg er overrasket over den kvantitative avtalen," sa André-Marie Tremblay, en fysiker ved University of Sherbrooke i Canada og lederen av gruppen som kom med spådommen i fjor.
Forskningen fremmer feltets flerårige ambisjon: å ta cuprate-superledning og styrke dens underliggende mekanisme, for å designe verdensforandrende materialer som er i stand til å superlede elektrisitet ved enda høyere temperaturer. Rom-temperatur superledning ville gi perfekt effektivitet til hverdagselektronikk, kraftledninger og mer, selv om målet fortsatt er fjernt.
"Hvis denne teoriklassen er riktig," sa Davis, med henvisning til superutvekslingsteorien, "bør det være mulig å beskrive syntetiske materialer med forskjellige atomer på forskjellige steder" der den kritiske temperaturen er høyere.
To lim
Fysikere har slitt med superledning siden den først ble observert i 1911. Den nederlandske forskeren Heike Kamerlingh Onnes og medarbeidere avkjølte en kvikksølvtråd til ca. 4 kelvin (det vil si 4 grader over absolutt null) og så med forbauselse på da den elektriske motstanden stupte til null . Elektroner gikk behendig gjennom ledningen uten å generere varme når de kolliderte med atomene - opphavet til motstand. Det ville ta "en levetid med innsats," sa Davis, for å finne ut hvordan.
Bygger på nøkkel eksperimentell innsikt fra midten av 1950-tallet, John Bardeen, Leon Cooper og John Robert Schrieffer publiserte sin nobelprisvinnende teori av denne konvensjonelle formen for superledning i 1957. «BCS-teorien», som den er kjent i dag, hevder at vibrasjoner som beveger seg gjennom rader med atomer «limer» elektroner sammen. Når et negativt ladet elektron flyr mellom atomer, trekker det de positivt ladede atomkjernene mot seg og setter i gang en krusning. Den krusningen trekker inn et andre elektron. De to elektronene overvinner deres voldsomme elektriske frastøting og danner et "Cooper-par."
"Det er ekte lureri av naturen," sa Jörg Schmalian, en fysiker ved Karlsruhe Institute of Technology i Tyskland. "Dette Cooper-paret er ikke ment å skje."
Når elektroner kobles sammen, gjør ytterligere kvantelureri superledning uunngåelig. Normalt kan ikke elektroner overlappe hverandre, men Cooper-par følger en annen kvantemekanisk regel; de fungerer som partikler av lys, hvorav et hvilket som helst antall kan hope seg opp på hodet til en nål. Mange Cooper-par kommer sammen og smelter sammen til en enkelt kvantemekanisk tilstand, en "superfluid", som blir uvitende om atomene den passerer mellom.
BCS-teori forklarte også hvorfor kvikksølv og de fleste andre metalliske elementer superleder når de avkjøles nær absolutt null, men slutter å gjøre det over noen få kelvin. Atomiske krusninger gir det svakeste limet. Skru opp varmen, og det vibrerer atomer og vasker ut gittervibrasjonene.
Så i 1986 snublet IBM-forskerne Georg Bednorz og Alex Müller over et sterkere elektronlim i cuprates: krystaller bestående av plater av kobber og oksygen spredt mellom lag med andre elementer. Etter de observerte en cuprate med superledning på 30 kelvin, fant forskere snart andre som superleder over 100, og deretter over 130 kelvin.
Gjennombruddet startet en omfattende innsats for å forstå det tøffere limet som er ansvarlig for denne "høytemperatur"-superledningsevnen. Kanskje elektroner samlet seg for å skape ujevn, rislende konsentrasjoner av ladning. Eller kanskje de interagerte gjennom spinn, en iboende egenskap til elektronet som orienterer det i en bestemt retning, som en magnet i kvantestørrelse.
Avdøde Philip Anderson, en amerikansk nobelprisvinner og allsidig legende innen fysikk av kondensert materie, sa en teori bare måneder etter at høytemperatursuperledning ble oppdaget. I hjertet av limet, hevdet han, lå et tidligere beskrevet kvantefenomen kalt superutveksling - en kraft som oppstår fra elektronenes evne til å hoppe. Når elektroner kan hoppe mellom flere steder, blir deres posisjon til enhver tid usikker, mens momentumet deres blir nøyaktig definert. Et skarpere momentum kan være et lavere momentum, og derfor en tilstand med lavere energi, som partikler naturlig oppsøker.
Resultatet er at elektroner søker situasjoner der de kan hoppe. Et elektron foretrekker å peke ned når naboen peker opp, for eksempel, siden dette skillet lar de to elektronene hoppe mellom de samme atomene. På denne måten etablerer superutveksling et vanlig opp-ned-opp-ned-mønster av elektronspinn i noen materialer. Det dytter også elektroner til å holde seg en viss avstand fra hverandre. (For langt, og de kan ikke hoppe.) Det er denne effektive attraksjonen som Anderson trodde kunne danne sterke Cooper-par.
Eksperimentalister strevde lenge med å teste teorier som Andersons, siden materielle egenskaper som de kunne måle, som reflektivitet eller motstand, bare ga grove oppsummeringer av den kollektive oppførselen til billioner av elektroner, ikke par.
"Ingen av de tradisjonelle teknikkene for kondensert materie fysikk ble noen gang designet for å løse et problem som dette," sa Davis.
Super-eksperiment
Davis, en irsk fysiker med laboratorier ved Oxford, Cornell University, University College Cork og International Max Planck Research School for Chemistry and Physics of Quantum Materials i Dresden, har gradvis utviklet verktøy for å granske cuprates på atomnivå. Tidligere eksperimenter målte styrken til et materiales superledning ved å kjøle det ned til det nådde den kritiske temperaturen der superledning begynte - med varmere temperaturer som indikerer sterkere lim. Men i løpet av det siste tiåret har Davis' gruppe raffinert en måte å presse limet rundt individuelle atomer.
De modifiserte en etablert teknikk kalt skannetunnelmikroskopi, som drar en nål over en overflate og måler strømmen av elektroner som hopper mellom de to. Ved å bytte ut nålens normale metallspiss for en superledende spiss og sveipe den over en cuprate, målte de en strøm av elektronpar i stedet for individer. Dette lar dem kartlegge tettheten til Cooper-parene som omgir hvert atom - et direkte mål på superledning. De publiserte det første bildet av svermer av Cooper-par in Natur i 2016.
Samme år ga et eksperiment av kinesiske fysikere et viktig bevis støtter Andersons superutvekslingsteori: De viste at jo lettere det er for elektroner å hoppe mellom kobber- og oksygenatomer i et gitt kuprat, desto høyere er kupratens kritiske temperatur (og dermed sterkere lim). Davis og kollegene hans forsøkte å kombinere de to tilnærmingene i en enkelt kupratkrystall for å avsløre limets natur.
«Aha»-øyeblikket kom i et gruppemøte over Zoom i 2020, sa han. Forskerne innså at et kuprat kalt vismut strontium kalsium kobberoksid (BSCCO, eller "bisko," for kort) hadde en særegen egenskap som gjorde deres drømmeeksperiment mulig. I BSCCO blir lagene av kobber og oksygenatomer presset inn i et bølget mønster av de omkringliggende arkene med atomer. Dette varierer avstandene mellom visse atomer, noe som igjen påvirker energien som kreves for å hoppe. Variasjonen forårsaker hodepine for teoretikere, som liker at gitterne deres er ryddige, men den ga eksperimentalistene akkurat det de trengte: en rekke hoppende energier i en prøve.
De brukte et tradisjonelt skanningsmikroskop med en metallspiss for å feste elektroner på noen atomer og plukke dem fra andre, og kartla hoppeenergiene over cupraten. De byttet deretter inn en cuprate-spiss for å måle tettheten til Cooper-par rundt hvert atom.
De to kartene stilte opp. Der elektronene slet med å hoppe, var superledningsevnen svak. Der det var lett å hoppe, var superledning sterk. Forholdet mellom hoppeenergi og Cooper-partetthet samsvarte nøye med en sofistikert numerisk prediksjon fra 2021 av Tremblay og kolleger, som hevdet at dette forholdet burde følge av Andersons teori.
Superexchange Super Lim
Davis 'funn om at hoppeenergi er knyttet til superledningsstyrke, publisert denne måneden i Proceedings of National Academy of Sciences, antyder sterkt at superutveksling er superlimet som muliggjør superledning ved høy temperatur.
"Det er et fint stykke arbeid fordi det bringer en ny teknikk for ytterligere å vise at denne ideen har ben," sa Ali Yazdani, en fysiker ved Princeton University som har utviklet lignende teknikker for å studere cuprates og andre eksotiske tilfeller av superledning parallelt med Davis' gruppe.
Men Yazdani og andre forskere advarer om at det fortsatt er en sjanse, uansett hvor avsidesliggende, at limstyrken og enkel hopping beveger seg i låst trinn av en eller annen grunn, og at feltet faller i den klassiske korrelasjons-lik-årsaksfellen. For Yazdani vil den virkelige måten å bevise en årsakssammenheng være å utnytte superutveksling for å konstruere noen prangende nye superledere.
"Hvis det er ferdig, la oss øke Tc", sa han og refererte til den kritiske temperaturen.
Superexchange er ikke en ny idé, så mange forskere har allerede tenkt på hvordan forsterke den, kanskje ved ytterligere å klemme kobber- og oksygengitteret eller eksperimentere med andre par av elementer. "Det er allerede spådommer på bordet," sa Tremblay.
Selvfølgelig er det ikke raskt eller enkelt å skissere atomtegninger og designe materialer som gjør det forskerne vil ha. Dessuten er det ingen garanti for at selv skreddersydde cuprates vil oppnå kritiske temperaturer mye høyere enn de av cuprates vi allerede kjenner. Styrken til superutveksling kan ha et hardt tak, akkurat som atomvibrasjoner ser ut til å ha. Noen forskere er det undersøker kandidater for helt andre og potensielt enda sterkere limtyper. Andre utnytte ujordisk press for å styrke de tradisjonelle atomvibrasjonene.
Men Davis' resultat kan gi energi og fokusere innsatsen til kjemikere og materialforskere som har som mål å løfte cuprate-superledere til større høyder.
"Kreativiteten til folk som designer materialer er ubegrenset," sa Schmalian. "Jo sikrere vi er på at en mekanisme er riktig, jo mer naturlig er det å investere mer i denne."
