Przez dziesięciolecia rodzina kryształów zaskakiwała fizyków swoją zaskakującą zdolnością do nadprzewodnictwa – czyli przewodzenia prądu elektrycznego bez żadnego oporu – w znacznie wyższych temperaturach niż inne materiały.
Teraz trwający od lat eksperyment ma bezpośrednio wizualizowane nadprzewodnictwo w skali atomowej w jednym z tych kryształów, ujawniając w końcu przyczynę zjawiska ku zadowoleniu niemal wszystkich. Wydaje się, że elektrony spychają się nawzajem w płynny przepływ w sposób po raz pierwszy sugerowany przez czcigodną teorię prawie tak starą jak sama tajemnica.
„Ten dowód jest naprawdę piękny i bezpośredni” — powiedział Subir Sachdew, fizyk z Uniwersytetu Harvarda, który buduje teorie kryształów, zwanych miedzianami, i nie był zaangażowany w eksperyment.
„Pracuję nad tym problemem od 25 lat i mam nadzieję, że go rozwiązałem” – powiedział JC Séamus Davis, który kierował nowym eksperymentem na Uniwersytecie Oksfordzkim. „Jestem absolutnie zachwycony”.
Nowy pomiar jest zgodny z przewidywaniami opartymi na teorii, która przypisuje nadprzewodnictwo miedzianowe zjawisku kwantowemu zwanemu nadwymianą. „Jestem zdumiony umową ilościową” – powiedział André-Marie Tremblay, fizyk z University of Sherbrooke w Kanadzie i lider grupy, która dokonała prognozy w zeszłym roku.
Badania rozwijają odwieczną ambicję tej dziedziny: przejęcie nadprzewodnictwa miedzianowego i wzmocnienie jego podstawowego mechanizmu w celu zaprojektowania zmieniających świat materiałów zdolnych do nadprzewodnictwa elektrycznego w jeszcze wyższych temperaturach. Nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej przyniosłoby doskonałą wydajność codziennej elektronice, liniom energetycznym i nie tylko, chociaż cel pozostaje odległy.
„Jeśli ta klasa teorii jest poprawna”, powiedział Davis, odnosząc się do teorii superwymiany, „powinno być możliwe opisanie materiałów syntetycznych z różnymi atomami w różnych lokalizacjach”, dla których temperatura krytyczna jest wyższa.
Dwa kleje
Fizycy zmagali się z nadprzewodnictwem, odkąd po raz pierwszy zaobserwowano je w 1911 roku. Holenderski naukowiec Heike Kamerlingh Onnes wraz ze współpracownikami schłodził drut rtęciowy do około 4 kelwinów (czyli 4 stopnie powyżej zera absolutnego) i ze zdumieniem obserwował, jak opór elektryczny spada do zera . Elektrony zręcznie przedzierały się przez drut, nie wytwarzając ciepła, gdy zderzyły się z jego atomami — źródłem oporu. Potrzeba było „całego wysiłku”, powiedział Davis, aby dowiedzieć się, jak to zrobić.
Opierając się na kluczowych spostrzeżeniach eksperymentalnych z połowy lat pięćdziesiątych, John Bardeen, Leon Cooper i John Robert Schrieffer opublikował swoją teorię nagrodzoną nagrodą Nobla tej konwencjonalnej formy nadprzewodnictwa w 1957 roku. „Teoria BCS”, jak jest znana dzisiaj, utrzymuje, że wibracje przechodzące przez rzędy atomów „sklejają” elektrony. Gdy ujemnie naładowany elektron przelatuje między atomami, przyciąga do siebie dodatnio naładowane jądra atomowe i wywołuje falę. Ta fala przyciąga drugi elektron. Pokonując zaciekłe elektryczne odpychanie, dwa elektrony tworzą „parę Coopera”.
„To prawdziwe oszustwo natury”, powiedział Jörga Schmaliana, fizyk z Instytutu Technologii w Karlsruhe w Niemczech. „Ta para Cooperów nie powinna się wydarzyć”.
Kiedy elektrony łączą się, dalsze sztuczki kwantowe sprawiają, że nadprzewodnictwo jest nieuniknione. Normalnie elektrony nie mogą się nakładać, ale pary Coopera podlegają innej zasadzie mechaniki kwantowej; działają jak cząsteczki światła, których dowolna liczba może nałożyć się na główkę szpilki. Wiele par Coopera łączy się i łączy w jeden stan mechaniki kwantowej, „nadciekły”, który staje się nieświadomy atomów, między którymi przechodzi.
Teoria BCS wyjaśniła również, dlaczego rtęć i większość innych pierwiastków metalicznych nadprzewodnikuje po schłodzeniu w pobliżu zera bezwzględnego, ale przestaje to robić powyżej kilku kelwinów. Atomowe zmarszczki to najsłabszy klej. Podkręć ciepło, a ono poruszy atomami i wypłukuje wibracje sieci.
Następnie, w 1986 roku, badacze IBM, Georg Bednorz i Alex Müller, natknęli się na silniejszy klej elektronowy w postaci miedzianów: kryształów składających się z arkuszy miedzi i tlenu przeplatanych warstwami innych pierwiastków. Po tym jak oni zaobserwował kuprat nadprzewodnictwo w temperaturze 30 kelwinów, naukowcy wkrótce odkryli inne, że nadprzewodnictwo powyżej 100, a następnie powyżej 130 XNUMX kelwinów.
Przełom zapoczątkował szeroko zakrojone wysiłki mające na celu poznanie mocniejszego kleju odpowiedzialnego za nadprzewodnictwo „wysokotemperaturowe”. Być może elektrony złączyły się, tworząc niejednolite, falujące koncentracje ładunku. A może oddziaływały poprzez spin, wewnętrzną właściwość elektronu, która orientuje go w określonym kierunku, jak magnes wielkości kwantowej.
Nieżyjący już Philip Anderson, amerykański laureat Nagrody Nobla i wszechstronna legenda fizyki materii skondensowanej, wypowiedział: teoria zaledwie kilka miesięcy po odkryciu nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego. Argumentował, że w samym sercu kleju leży opisane wcześniej zjawisko kwantowe zwane superwymianą — siła wynikająca ze zdolności elektronów do podskakiwania. Kiedy elektrony mogą przeskakiwać między wieloma lokalizacjami, ich pozycja w dowolnym momencie staje się niepewna, a ich pęd jest precyzyjnie określony. Ostrzejszy pęd może być niższym pędem, a zatem stanem o niższej energii, którego cząstki naturalnie wyszukują.
W rezultacie elektrony szukają sytuacji, w których mogą podskakiwać. Na przykład elektron woli skierować się w dół, gdy jego sąsiad jest skierowany w górę, ponieważ to rozróżnienie pozwala dwóm elektronom przeskakiwać między tymi samymi atomami. W ten sposób superwymiana ustanawia regularny wzorzec spinów elektronów w niektórych materiałach. Popycha również elektrony, aby pozostawały w pewnej odległości od siebie. (Za daleko i nie mogą podskoczyć.) Jest to skuteczne przyciąganie, które według Andersona może tworzyć silne pary Cooperów.
Eksperymentaliści od dawna zmagali się z testowaniem teorii takich jak Andersona, ponieważ właściwości materiałów, które mogli zmierzyć, takie jak współczynnik odbicia lub opór, oferowały jedynie prymitywne podsumowania zbiorowego zachowania bilionów elektronów, a nie par.
„Żadna z tradycyjnych technik fizyki materii skondensowanej nigdy nie została zaprojektowana do rozwiązania takiego problemu” – powiedział Davis.
Super-eksperyment
Davis, irlandzki fizyk z laboratoriami w Oxfordzie, Cornell University, University College Cork oraz International Max Planck Research School for Chemistry and Physics of Quantum Materials w Dreźnie, stopniowo opracował narzędzia do badania miedzianów na poziomie atomowym. Wcześniejsze eksperymenty mierzyły siłę nadprzewodnictwa materiału, schładzając go do temperatury krytycznej, w której zaczyna się nadprzewodnictwo — przy wyższych temperaturach wskazujących na silniejszy klej. Ale w ciągu ostatniej dekady grupa Davisa udoskonaliła sposób naklejania kleju wokół poszczególnych atomów.
Zmodyfikowali sprawdzoną technikę zwaną skaningową mikroskopią tunelową, która przeciąga igłę po powierzchni, mierząc prąd elektronów przeskakujących między nimi. Zamieniając normalną metalową końcówkę igły na końcówkę nadprzewodzącą i przesuwając ją po miedzianie, zmierzyli prąd par elektronów, a nie pojedynczych. To pozwoliło im odwzorować gęstość par Coopera otaczających każdy atom — bezpośrednią miarą nadprzewodnictwa. Opublikowali pierwszy obraz roje par Cooperów in Natura w 2016 roku.
W tym samym roku przeprowadzono eksperyment chińskich fizyków ważny dowód wspierając teorię superwymiany Andersona: wykazali, że im łatwiej elektronom przeskakiwać między atomami miedzi i tlenu w danym miedzianie, tym wyższa jest temperatura krytyczna miedzi (a tym samym tym silniejszy jest jego klej). Davis i jego koledzy starali się połączyć te dwa podejścia w jednym krysztale miedzianu, aby bardziej przekonująco ujawnić naturę kleju.
Powiedział, że moment „aha” nadszedł podczas spotkania grupowego nad Zoomem w 2020 roku. Naukowcy zdali sobie sprawę, że miedzian zwany bizmutem strontowo-wapniowo-miedziowym tlenkiem (BSCCO, w skrócie „bisko”) ma osobliwą cechę, która umożliwiła ich wymarzony eksperyment. W BSCCO warstwy atomów miedzi i tlenu są ściskane w falisty wzór przez otaczające arkusze atomów. Zmienia to odległości między poszczególnymi atomami, co z kolei wpływa na energię wymaganą do przeskoku. Zmienność powoduje ból głowy u teoretyków, którzy lubią porządek w swoich sieciach, ale daje eksperymentatorom dokładnie to, czego potrzebowali: zakres przeskoków energii w jednej próbce.
Użyli tradycyjnego mikroskopu skaningowego z metalową końcówką, aby przykleić elektrony do niektórych atomów i oderwać je od innych, mapując energie przeskoków na miedzianym. Następnie zamienili miedzianą końcówkę, aby zmierzyć gęstość par Coopera wokół każdego atomu.
Dwie mapy ustawiły się w jednej linii. Tam, gdzie elektrony z trudem podskakują, nadprzewodnictwo było słabe. Tam, gdzie skakanie było łatwe, nadprzewodnictwo było silne. Związek między energią przeskoków a gęstością par Coopera ściśle pasował do wyrafinowanego prognoza numeryczna z 2021 r. Tremblaya i współpracowników, którzy przekonywali, że związek ten powinien wynikać z teorii Andersona.
Super Exchange Super Glue
Odkrycie Davisa, że energia skoków jest powiązana z siłą nadprzewodnictwa, opublikowane w tym miesiącu w Proceedings of the National Academy of Sciences, silnie sugeruje, że super-klej jest superklejem umożliwiającym nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe.
„To niezła praca, ponieważ wprowadza nową technikę, aby jeszcze bardziej pokazać, że ten pomysł ma nogi” – powiedział Ali Yazdani, fizyk z Princeton University, który opracował podobne techniki do badania miedzianów i inne egzotyczne przypadki nadprzewodnictwa równolegle z grupą Davisa.
Ale Yazdani i inni badacze ostrzegają, że wciąż istnieje szansa, jakkolwiek odległa, że siła kleju i łatwość przeskakiwania z jakiegoś innego powodu wpadną w klasyczną pułapkę korelacji równa się przyczynowości. Dla Yazdani prawdziwym sposobem na udowodnienie związku przyczynowego będzie wykorzystanie supergiełdy do skonstruowania nowych, efektownych nadprzewodników.
„Jeśli skończymy, zwiększmy Tc”, powiedział, odnosząc się do temperatury krytycznej.
Supergiełda nie jest nowym pomysłem, więc wielu badaczy już o tym pomyślało jak to wzmocnić, być może poprzez dalsze zgniatanie sieci miedzianej i tlenowej lub eksperymentowanie z innymi parami pierwiastków. „Są już przepowiednie na stole” – powiedział Tremblay.
Oczywiście szkicowanie planów atomowych i projektowanie materiałów, które robią to, czego chcą naukowcy, nie jest ani szybkie, ani łatwe. Co więcej, nie ma gwarancji, że nawet wykonane na zamówienie miedziany osiągną krytyczne temperatury znacznie wyższe niż te miedziany, które już znamy. Siła superwymiany może mieć twardy sufit, tak jak wydają się wibracje atomowe. Niektórzy badacze są badanie kandydatów na zupełnie inne i potencjalnie jeszcze mocniejsze rodzaje kleju. Inni wykorzystać nieziemskie naciski wzmocnić tradycyjne wibracje atomowe.
Ale wynik Davisa może pobudzić i skoncentrować wysiłki chemików i naukowców zajmujących się materiałami, których celem jest podniesienie nadprzewodników miedzianowych na większe wysokości.
„Kreatywność ludzi, którzy projektują materiały, jest nieograniczona” – powiedział Schmalian. „Im bardziej jesteśmy pewni, że dany mechanizm jest właściwy, tym bardziej naturalne jest dalsze inwestowanie w ten mechanizm”.
