На протяжении десятилетий семейство кристаллов ставило физиков в тупик своей непостижимой способностью к сверхпроводимости — то есть проводить электрический ток без какого-либо сопротивления — при гораздо более высоких температурах, чем у других материалов.
Теперь эксперимент, который готовился годами, непосредственно визуализированная сверхпроводимость в атомном масштабе в одном из этих кристаллов, наконец, к всеобщему удовлетворению раскрыв причину явления. Электроны, кажется, подталкивают друг друга в поток без трения способом, впервые предложенным почтенной теорией, почти такой же старой, как и сама тайна.
«Это доказательство действительно красивое и прямое», — сказал Субир Сачдев, физик из Гарвардского университета, который строит теории кристаллов, известных как купраты, и не участвовал в эксперименте.
«Я работал над этой проблемой 25 лет и надеюсь, что решил ее», — сказал Джей Си Симус Дэвис, который руководил новым экспериментом в Оксфордском университете. «Я в полном восторге».
Новое измерение соответствует предсказанию, основанному на теории, которая связывает сверхпроводимость купратов с квантовым явлением, называемым суперобменом. «Я поражен количественным согласием, — сказал Андре-Мари Трембле, физик из Университета Шербрука в Канаде и руководитель группы, сделавшей предсказание в прошлом году.
Исследование продвигает многолетнюю амбицию области: взять сверхпроводимость купратов и укрепить лежащий в ее основе механизм, чтобы разработать материалы, способные изменить мир, способные сверхпроводить электричество при еще более высоких температурах. Сверхпроводимость при комнатной температуре обеспечит идеальную эффективность бытовой электронике, линиям электропередач и многому другому, хотя цель остается далекой.
«Если этот класс теорий верен, — сказал Дэвис, ссылаясь на теорию суперобмена, — то должна быть возможность описать синтетические материалы с разными атомами в разных местах», для которых критическая температура выше.
Два клея
Физики боролись со сверхпроводимостью с тех пор, как она была впервые обнаружена в 1911 году. Голландский ученый Хайке Камерлинг-Оннес и его сотрудники охладили ртутную проволоку примерно до 4 кельвинов (то есть на 4 градуса выше абсолютного нуля) и с удивлением наблюдали, как электрическое сопротивление падало до нуля. . Электроны ловко двигались по проводу, не выделяя тепла при столкновении с его атомами — источник сопротивления. По словам Дэвиса, потребуется «целая жизнь усилий», чтобы понять, как это сделать.
Опираясь на ключевые экспериментальные идеи середины 1950-х годов, Джон Бардин, Леон Купер и Джон Роберт Шриффер опубликовали свою теорию, получившую Нобелевскую премию. об этой традиционной форме сверхпроводимости в 1957 году. «Теория БКШ», известная сегодня, утверждает, что колебания, проходящие через ряды атомов, «склеивают» электроны вместе. Когда отрицательно заряженный электрон пролетает между атомами, он притягивает к себе положительно заряженные атомные ядра и вызывает пульсацию. Эта пульсация притягивает второй электрон. Преодолевая сильное электрическое отталкивание, два электрона образуют «куперовскую пару».
«Это настоящий обман природы, — сказал Йорг Шмалян, физик из Технологического института Карлсруэ в Германии. «Эта пара Куперов не должна случиться».
Когда электроны соединяются, дальнейший квантовый обман делает сверхпроводимость неизбежной. Обычно электроны не могут перекрываться, но куперовские пары подчиняются другому правилу квантовой механики; они действуют как частицы света, любое количество которых может свалиться на булавочную головку. Многие куперовские пары собираются вместе и сливаются в единое квантово-механическое состояние, «сверхтекучесть», которая перестает обращать внимание на атомы, между которыми проходит.
Теория БКШ также объяснила, почему ртуть и большинство других металлических элементов сверхпроводят при охлаждении близко к абсолютному нулю, но перестают делать это при температуре выше нескольких градусов Кельвина. Атомная рябь — самый слабый из клеев. Увеличьте температуру, и она раскачает атомы и смоет колебания решетки.
Затем, в 1986 году, исследователи IBM Георг Беднорц и Алекс Мюллер наткнулись на более прочный электронный клей в купратах: кристаллах, состоящих из листов меди и кислорода, перемежающихся слоями других элементов. После того, как они наблюдал купрат сверхпроводимостью при температуре 30 кельвинов, исследователи вскоре обнаружили другие сверхпроводники. выше 100, а потом выше 130 XNUMX кельвинов.
Этот прорыв положил начало широкомасштабным попыткам понять более прочный клей, ответственный за эту «высокотемпературную» сверхпроводимость. Возможно, электроны собрались вместе, чтобы создать неоднородные пульсирующие концентрации заряда. Или, может быть, они взаимодействовали через спин, внутреннее свойство электрона, которое ориентирует его в определенном направлении, подобно магниту квантового размера.
Покойный Филип Андерсон, американский лауреат Нобелевской премии и всесторонняя легенда физики конденсированных сред, выдвинул теория всего через несколько месяцев после открытия высокотемпературной сверхпроводимости. Он утверждал, что в основе клея лежит ранее описанное квантовое явление, называемое суперобменом — сила, возникающая из-за способности электронов прыгать. Когда электроны могут перемещаться между несколькими точками, их положение в любой момент становится неопределенным, а их импульс становится точно определенным. Более резкий импульс может быть более низким импульсом и, следовательно, состоянием с более низкой энергией, которое естественным образом ищут частицы.
В результате электроны ищут ситуации, в которых они могут прыгать. Например, электрон предпочитает смотреть вниз, когда его сосед смотрит вверх, поскольку это различие позволяет двум электронам прыгать между одними и теми же атомами. Таким образом, сверхобмен устанавливает регулярную структуру электронных спинов вверх-вниз-вверх-вниз в некоторых материалах. Это также подталкивает электроны, чтобы они оставались на определенном расстоянии друг от друга. (Слишком далеко, и они не могут прыгать.) Именно это эффективное притяжение, по мнению Андерсона, могло образовать сильные пары Купера.
Экспериментаторы долго пытались проверить теории, подобные теории Андерсона, поскольку материальные свойства, которые они могли измерить, такие как отражательная способность или сопротивление, предлагали лишь грубые сводки коллективного поведения триллионов электронов, а не пар.
«Ни один из традиционных методов физики конденсированных сред никогда не предназначался для решения такой проблемы, — сказал Дэвис.
Суперэксперимент
Дэвис, ирландский физик с лабораториями в Оксфорде, Корнельском университете, Университетском колледже Корка и Международной исследовательской школе Макса Планка по химии и физике квантовых материалов в Дрездене, постепенно разработал инструменты для тщательного изучения купратов на атомном уровне. Более ранние эксперименты измеряли силу сверхпроводимости материала путем его охлаждения до тех пор, пока он не достигал критической температуры, при которой начиналась сверхпроводимость, причем более высокие температуры указывали на более прочный клей. Но за последнее десятилетие группа Дэвиса усовершенствовала способ нанесения клея на отдельные атомы.
Они модифицировали зарекомендовавший себя метод, называемый сканирующей туннельной микроскопией, когда иглу проводят по поверхности, измеряя ток электронов, прыгающих между ними. Заменив обычный металлический наконечник иглы на сверхпроводящий наконечник и проведя им по купрату, они измерили ток электронных пар, а не отдельных элементов. Это позволило им составить карту плотности куперовских пар, окружающих каждый атом, — прямую меру сверхпроводимости. Они опубликовали первое изображение рои куперовских пар in природа в 2016 году.
В том же году эксперимент китайских физиков дал главное доказательство поддерживая теорию суперобмена Андерсона: они показали, что чем легче электронам прыгать между атомами меди и кислорода в данном купрате, тем выше критическая температура купрата (и, следовательно, тем прочнее его клей). Дэвис и его коллеги стремились объединить два подхода в одном кристалле купрата, чтобы более убедительно раскрыть природу клея.
По его словам, момент «ага» наступил на групповой встрече в Zoom в 2020 году. Исследователи поняли, что купрат, называемый оксидом висмута-стронция-кальция-меди (BSCCO, или сокращенно «биско»), обладает специфической особенностью, которая сделала возможным их эксперимент во сне. В BSCCO слои атомов меди и кислорода сжимаются в волнистую форму окружающими слоями атомов. Это изменяет расстояния между определенными атомами, что, в свою очередь, влияет на энергию, необходимую для прыжка. Эта вариация вызывает головную боль у теоретиков, которые любят, чтобы их решетки были аккуратными, но она дала экспериментаторам именно то, что им было нужно: диапазон энергий прыжков в одном образце.
Они использовали традиционный сканирующий микроскоп с металлическим наконечником, чтобы прикреплять электроны к одним атомам и отрывать их от других, картируя энергии прыжков в купрате. Затем они заменили наконечник из купрата, чтобы измерить плотность пар Купера вокруг каждого атома.
Две карты сошлись. Там, где электроны изо всех сил пытались прыгать, сверхпроводимость была слабой. Там, где прыжок был легким, сверхпроводимость была сильной. Соотношение между энергией прыжка и плотностью куперовских пар хорошо соответствовало сложной числовое предсказание от 2021 года Тремблея и его коллег, которые утверждали, что эта связь должна следовать из теории Андерсона.
Суперобменный супер клей
Открытие Дэвиса о том, что прыжковая энергия связана с силой сверхпроводимости, опубликованное в этом месяце в Труды Национальной академии наук, строго подразумевает, что суперобмен является суперклеем, обеспечивающим высокотемпературную сверхпроводимость.
«Это хорошая работа, потому что она предлагает новую технику, чтобы еще раз показать, что у этой идеи есть основания», — сказал он. Али Яздани, физик из Принстонского университета, разработавший аналогичные методы для изучения купратов и другие экзотические экземпляры сверхпроводимости параллельно с группой Дэвиса.
Но Яздани и другие исследователи предупреждают, что все же есть шанс, хотя и весьма отдаленный, что сила клея и легкость прыжков движутся синхронно по какой-то другой причине, и что поле попадает в классическую ловушку корреляции, равной причинно-следственной связи. Для Яздани реальный способ доказать причинно-следственную связь будет состоять в том, чтобы использовать суперобмен для разработки новых ярких сверхпроводников.
«Если это закончено, давайте увеличим Tc— сказал он, имея в виду критическую температуру.
Супербиржа — не новая идея, поэтому многие исследователи уже думали об этом. как его укрепить, возможно, путем дальнейшего сжатия решетки меди и кислорода или экспериментов с другими парами элементов. «На столе уже есть прогнозы», — сказал Тремблей.
Конечно, делать наброски атомных чертежей и разрабатывать материалы, которые делают то, что хотят исследователи, — дело непростое и быстрое. Более того, нет никакой гарантии, что даже сделанные на заказ купраты достигнут критических температур, намного превышающих температуры уже известных нам купратов. Сила сверхобмена может иметь жесткий потолок, как, кажется, колебания атомов. Некоторые исследователи расследование кандидатов для совершенно разных и потенциально даже более прочных типов клея. Другие использовать неземное давление чтобы укрепить традиционные атомные вибрации.
Но результат Дэвиса может вдохновить и сфокусировать усилия химиков и материаловедов, стремящихся поднять купратные сверхпроводники на новый уровень.
«Творчество людей, разрабатывающих материалы, безгранично, — сказал Шмалян. «Чем больше мы уверены в правильности механизма, тем естественнее инвестировать в него больше».
