Timp de zeci de ani, o familie de cristale i-a uimit pe fizicieni cu capacitatea sa uluitoare de a supraconduce - adică de a transporta un curent electric fără nicio rezistență - la temperaturi mult mai calde decât alte materiale.
Acum, un experiment are ani în pregătire supraconductivitate vizualizată direct la scara atomică într-unul dintre aceste cristale, dezvăluind în sfârșit cauza fenomenului spre satisfacția tuturor. Electronii par să se împingă unul pe altul într-un flux fără frecare într-un mod sugerat mai întâi de o teorie venerabilă aproape la fel de veche ca misterul însuși.
„Această dovadă este cu adevărat frumoasă și directă”, a spus Subir Sachdev, un fizician de la Universitatea Harvard care construiește teorii despre cristale, cunoscute sub numele de cuprați, și nu a fost implicat în experiment.
„Am lucrat la această problemă timp de 25 de ani și sper că am rezolvat-o”, a spus JC Séamus Davis, care a condus noul experiment la Universitatea din Oxford. „Sunt absolut încântat.”
Noua măsurătoare se potrivește cu o predicție bazată pe teorie, care atribuie supraconductivitatea cuprată unui fenomen cuantic numit supraschimb. „Sunt uimit de acordul cantitativ”, a spus André-Marie Tremblay, fizician la Universitatea din Sherbrooke din Canada și liderul grupului care a făcut predicția anul trecut.
Cercetarea avansează ambiția perenă a domeniului: de a lua supraconductibilitatea cuprată și de a-și consolida mecanismul de bază, pentru a proiecta materiale care schimbă lumea, capabile să supraconducă electricitatea la temperaturi și mai mari. Supraconductivitatea la temperatura camerei ar aduce o eficiență perfectă electronicelor de zi cu zi, liniilor de alimentare și multe altele, deși obiectivul rămâne unul îndepărtat.
„Dacă această clasă de teorie este corectă”, a spus Davis, referindu-se la teoria superschimbului, „ar trebui să fie posibil să se descrie materiale sintetice cu diferiți atomi în diferite locații” pentru care temperatura critică este mai mare.
Două lipiciuri
Fizicienii s-au luptat cu supraconductivitatea de când a fost observată pentru prima dată în 1911. Omul de știință olandez Heike Kamerlingh Onnes și colaboratorii au răcit un fir de mercur la aproximativ 4 kelvin (adică 4 grade peste zero absolut) și au privit cu uimire cum rezistența electrică a scăzut la zero. . Electronii și-au parcurs cu îndemânare calea prin fir fără a genera căldură atunci când s-au ciocnit cu atomii săi - originea rezistenței. Ar fi nevoie de „o viață de efort”, a spus Davis, pentru a afla cum.
Pe baza unor perspective experimentale cheie de la mijlocul anilor 1950, John Bardeen, Leon Cooper și John Robert Schrieffer și-au publicat teoria câștigătoare a premiului Nobel a acestei forme convenționale de supraconductivitate în 1957. „Teoria BCS”, așa cum este cunoscută astăzi, susține că vibrațiile care se deplasează prin rânduri de atomi „lipesc” electronii împreună. Pe măsură ce un electron încărcat negativ zboară între atomi, acesta atrage nucleele atomice încărcate pozitiv spre el și declanșează o ondulație. Acea ondulație trage un al doilea electron. Depășind repulsia lor electrică acerbă, cei doi electroni formează o „pereche Cooper”.
„Este o adevărată viclenie a naturii”, a spus Jörg Schmalian, fizician la Institutul de Tehnologie Karlsruhe din Germania. „Această pereche Cooper nu ar trebui să se întâmple.”
Atunci când electronii se cuplează, alte înșelăciuni cuantice fac supraconductivitatea inevitabilă. În mod normal, electronii nu se pot suprapune, dar perechile Cooper urmează o regulă diferită a mecanicii cuantice; acţionează ca nişte particule de lumină, dintre care orice număr se poate îngrămădi pe capul unui ac. Multe perechi Cooper se reunesc și se contopesc într-o singură stare mecanică cuantică, un „superfluid”, care devine ignorant de atomii prin care trece.
Teoria BCS a explicat, de asemenea, de ce mercurul și majoritatea celorlalte elemente metalice supraconduc atunci când sunt răcite aproape de zero absolut, dar nu mai fac acest lucru peste câțiva kelvin. Ondulurile atomice fac cel mai slab dintre lipici. Măriți căldura și agita atomii și elimină vibrațiile rețelei.
Apoi, în 1986, cercetătorii IBM Georg Bednorz și Alex Müller au dat peste un lipici de electroni mai puternic în cuprați: cristale formate din foi de cupru și oxigen intercalate între straturi de alte elemente. După ei a observat un cuprat supraconductori la 30 kelvin, cercetătorii au descoperit curând alții care supraconduc deasupra 100, și apoi mai sus 130 kelvin.
Descoperirea a lansat un efort pe scară largă pentru a înțelege adezivul mai dur responsabil pentru această supraconductivitate „la temperatură înaltă”. Poate că electronii s-au strâns împreună pentru a crea concentrații neregulate de sarcină. Sau poate că au interacționat prin spin, o proprietate intrinsecă a electronului care îl orientează într-o anumită direcție, ca un magnet de mărime cuantică.
Regretatul Philip Anderson, laureat al Premiului Nobel american și legenda universală în fizica materiei condensate, a prezentat o teorie la doar câteva luni după ce a fost descoperită supraconductibilitatea la temperatură înaltă. În centrul adezivului, a susținut el, se află un fenomen cuantic descris anterior, numit superschimb - o forță care decurge din capacitatea electronilor de a sări. Când electronii pot sări între mai multe locații, poziția lor în orice moment devine incertă, în timp ce impulsul lor devine precis definit. Un impuls mai puternic poate fi un impuls mai mic și, prin urmare, o stare de energie mai mică, pe care particulele o caută în mod natural.
Rezultatul este că electronii caută situații în care pot sări. Un electron preferă să îndrepte în jos atunci când vecinul său arată în sus, de exemplu, deoarece această distincție le permite celor doi electroni să sară între aceiași atomi. În acest fel, superschimbul stabilește un model regulat sus-jos-sus-jos de spini de electroni în unele materiale. De asemenea, împinge electronii să rămână la o anumită distanță. (Prea departe și nu pot sări.) Este această atracție eficientă despre care Anderson credea că ar putea forma perechi Cooper puternice.
Experimentaliștii s-au luptat mult timp să testeze teorii precum cea a lui Anderson, deoarece proprietățile materiale pe care le puteau măsura, cum ar fi reflectivitatea sau rezistența, au oferit doar rezumate brute ale comportamentului colectiv al trilioane de electroni, nu perechi.
„Niciuna dintre tehnicile tradiționale ale fizicii materiei condensate nu a fost concepută vreodată pentru a rezolva o problemă ca aceasta”, a spus Davis.
Super-Experiment
Davis, un fizician irlandez cu laboratoare la Oxford, Cornell University, University College Cork și International Max Planck Research School for Chemistry and Physics of Quantum Materials din Dresda, a dezvoltat treptat instrumente pentru a examina cuprații la nivel atomic. Experimentele anterioare au măsurat puterea supraconductivității unui material prin răcirea acestuia până când acesta a atins temperatura critică la care a început supraconductibilitatea - cu temperaturi mai calde indicând un adeziv mai puternic. Dar în ultimul deceniu, grupul lui Davis a rafinat o modalitate de a produce lipici în jurul atomilor individuali.
Ei au modificat o tehnică consacrată numită microscopie de scanare cu tunel, care trage un ac de-a lungul unei suprafețe, măsurând curentul de electroni care sare între cei doi. Schimbând vârful metalic normal al acului cu un vârf supraconductor și măturandu-l peste un cuprat, ei au măsurat un curent de perechi de electroni mai degrabă decât de indivizi. Acest lucru le-a permis să mapeze densitatea perechilor Cooper care înconjoară fiecare atom - o măsură directă a supraconductivității. Au publicat prima imagine a roiuri de perechi Cooper in Natură în 2016.
În același an, un experiment al fizicienilor chinezi a oferit o dovadă majoră susținând teoria superschimbului lui Anderson: Ei au arătat că cu cât este mai ușor pentru electroni să sară între atomii de cupru și de oxigen dintr-un anumit cuprat, cu atât temperatura critică a cupratului este mai mare (și, prin urmare, cu atât lipiciul este mai puternic). Davis și colegii săi au încercat să combine cele două abordări într-un singur cristal de cuprat pentru a dezvălui mai concludent natura adezivului.
Momentul „aha” a venit într-o întâlnire de grup la Zoom în 2020, a spus el. Cercetătorii și-au dat seama că un cuprat numit bismut stronțiu calciu oxid de cupru (BSCCO, sau „bisko”, pe scurt) avea o caracteristică particulară care a făcut posibil experimentul lor de vis. În BSCCO, straturile de atomi de cupru și oxigen sunt strânse într-un model ondulat de foile de atomi din jur. Aceasta variază distanțele dintre anumiți atomi, ceea ce, la rândul său, afectează energia necesară pentru a sări. Variația provoacă dureri de cap teoreticienilor, cărora le place grilajele lor ordonate, dar le-a oferit experimentaliştilor exact ceea ce aveau nevoie: o gamă de energii de săritură într-o singură probă.
Ei au folosit un microscop de scanare tradițional cu un vârf de metal pentru a lipi electronii pe unii atomi și a-i smulge de pe alții, cartând energiile de sărituri din cuprat. Apoi au schimbat un vârf de cuprat pentru a măsura densitatea perechilor Cooper în jurul fiecărui atom.
Cele două hărți s-au aliniat. Acolo unde electronii se luptau să sară, supraconductivitatea era slabă. Acolo unde săritul era ușor, supraconductivitatea era puternică. Relația dintre energia săriturii și densitatea perechilor Cooper se potrivea îndeaproape cu un sofisticat predicție numerică din 2021 de Tremblay și colegii săi, care au susținut că această relație ar trebui să decurgă din teoria lui Anderson.
Superexchange Super Glue
Descoperirea lui Davis că energia săriturii este legată de puterea de supraconductivitate, publicată luna aceasta în Proceedings al Academiei Nationale de Stiinte, implică cu tărie că superexchange este super-cleiul care permite supraconductivitate la temperatură înaltă.
„Este o lucrare frumoasă, deoarece aduce o nouă tehnică pentru a arăta în continuare că această idee are picioare”, a spus Ali Yazdani, un fizician la Universitatea Princeton care a dezvoltat tehnici similare pentru a studia cuprații și alte cazuri exotice de supraconductivitate în paralel cu grupul lui Davis.
Dar Yazdani și alți cercetători avertizează că există încă o șansă, oricât de îndepărtată, ca rezistența adezivului și ușurința săriturii să se miște în pas din alt motiv și că câmpul se încadrează în capcana clasică a corelației-egal-cauzație. Pentru Yazdani, adevărata modalitate de a dovedi o relație cauzală va fi să valorifice supraschimbul pentru a proiecta niște supraconductori noi.
„Dacă s-a terminat, să creștem Tc”, a spus el, referindu-se la temperatura critică.
Superexchange nu este o idee nouă, așa că mulți cercetători s-au gândit deja cum să-l întăriți, poate prin strângerea în continuare a rețelei de cupru și oxigen sau experimentând cu alte perechi de elemente. „Există deja predicții pe masă”, a spus Tremblay.
Desigur, schițarea planurilor atomice și proiectarea materialelor care fac ceea ce doresc cercetătorii nu este rapidă sau ușoară. În plus, nu există nicio garanție că chiar și cuprații la comandă vor atinge temperaturi critice mult mai mari decât cele ale cupraților pe care le cunoaștem deja. Puterea superschimbului ar putea avea un plafon dur, așa cum par vibrațiile atomice. Unii cercetători sunt investigarea candidaților pentru tipuri de lipici complet diferite și potențial chiar mai puternice. Alții exploatează presiunile nepământene pentru a susține vibrațiile atomice tradiționale.
Dar rezultatul lui Davis ar putea energiza și concentra eforturile chimiștilor și oamenilor de știință din materiale care își propun să ridice supraconductorii cuprați la înălțimi mai mari.
„Creativitatea oamenilor care proiectează materiale este nelimitată”, a spus Schmalian. „Cu cât suntem mai încrezători că un mecanism este corect, cu atât este mai natural să investim mai mult în acesta.”
