Družina kristalov je desetletja osupnila fizike s svojo osupljivo sposobnostjo superprevoda - to je prenašanja električnega toka brez kakršnega koli upora - pri veliko višjih temperaturah kot drugi materiali.
Zdaj je poskus, ki je nastajal leta neposredno vizualizirana superprevodnost na atomski lestvici v enem od teh kristalov in končno razkril vzrok pojava na zadovoljstvo skoraj vseh. Zdi se, da se elektroni potiskajo drug drugega v tok brez trenja na način, ki ga je najprej predlagala častitljiva teorija, stara skoraj tako kot sama skrivnost.
"Ta dokaz je res lep in neposreden," je dejal Subir Sachdev, fizik na univerzi Harvard, ki gradi teorije o kristalih, znanih kot kuprati, in ni bil vključen v eksperiment.
"S tem problemom sem delal 25 let in upam, da sem ga rešil," je dejal JC Séamus Davis, ki je vodil nov eksperiment na Univerzi v Oxfordu. "Popolnoma sem navdušen."
Nova meritev se ujema z napovedjo, ki temelji na teoriji, ki kupratno superprevodnost pripisuje kvantnemu pojavu, imenovanemu superizmenjava. "Presenečen sem nad količinskim dogovorom," je rekel André-Marie Tremblay, fizik na univerzi Sherbrooke v Kanadi in vodja skupine, ki je lansko leto napovedala.
Raziskava pospešuje večne ambicije tega področja: prevzeti kupratno superprevodnost in okrepiti njen osnovni mehanizem, da bi oblikovali materiale, ki spreminjajo svet in so sposobni superprevodne elektrike pri še višjih temperaturah. Superprevodnost pri sobni temperaturi bi prinesla popolno učinkovitost vsakdanji elektroniki, daljnovodom in več, čeprav je cilj še vedno oddaljen.
"Če je ta razred teorije pravilen," je dejal Davis, ki se nanaša na teorijo superizmenjave, "bi moralo biti mogoče opisati sintetične materiale z različnimi atomi na različnih lokacijah", za katere je kritična temperatura višja.
Dve lepili
Fiziki se spopadajo s superprevodnostjo, odkar so jo prvič opazili leta 1911. Nizozemska znanstvenica Heike Kamerlingh Onnes in sodelavci so ohladili živosrebrno žico na približno 4 kelvine (to je 4 stopinje nad absolutno ničlo) in z osuplostjo opazovali, kako je električni upor padel na nič. . Elektroni so se spretno prebili skozi žico, ne da bi pri tem proizvedli toploto, ko so trčili v njene atome - izvor upora. Da bi ugotovili, kako, je dejal Davis, bi potrebovali "vse življenje truda".
Na podlagi ključnih eksperimentalnih spoznanj iz sredine petdesetih let prejšnjega stoletja so John Bardeen, Leon Cooper in John Robert Schrieffer objavili svojo teorijo, ki je prejela Nobelovo nagrado te konvencionalne oblike superprevodnosti leta 1957. »Teorija BCS«, kot jo poznamo danes, trdi, da vibracije, ki se premikajo skozi vrste atomov, »zlepijo« elektrone skupaj. Ko negativno nabit elektron leti med atomi, k sebi pritegne pozitivno nabita atomska jedra in sproži valovanje. To valovanje potegne vase drugi elektron. S premagovanjem močnega električnega odboja dva elektrona tvorita "Cooperjev par".
"To je prava prevara narave," je rekel Jörg Schmalian, fizik na tehnološkem inštitutu Karlsruhe v Nemčiji. "Ta Cooperjev par se ne bi smel zgoditi."
Ko se elektroni združijo, je zaradi nadaljnjih kvantnih zvijač superprevodnost neizogibna. Običajno se elektroni ne morejo prekrivati, vendar Cooperjevi pari sledijo drugačnemu pravilu kvantne mehanike; delujejo kot delci svetlobe, katerih poljubno število se lahko nabere na glavici žebljička. Številni Cooperjevi pari se združijo in združijo v eno samo kvantno mehansko stanje, »superfluid«, ki se ne zaveda atomov, med katerimi prehaja.
Teorija BCS je tudi pojasnila, zakaj živo srebro in večina drugih kovinskih elementov superprevodijo, ko so ohlajeni blizu absolutne ničle, nad nekaj kelvini pa tega ne počnejo. Atomsko valovanje omogoča najšibkejše lepilo. Povečajte toploto in pretrese atome in izpere tresljaje rešetke.
Nato sta leta 1986 IBM-ova raziskovalca Georg Bednorz in Alex Müller naletela na močnejše elektronsko lepilo v kupratih: kristalih, sestavljenih iz plošč bakra in kisika, vmešanih med plasti drugih elementov. Potem ko so opazil kuprat superprevodni pri 30 kelvinih, so raziskovalci kmalu našli druge, ki so superprevodni nad 100, nato pa zgoraj 130 kelvinov.
Preboj je sprožil široko prizadevanje za razumevanje tršega lepila, ki je odgovorno za to »visokotemperaturno« superprevodnost. Morda so se elektroni zbrali skupaj, da bi ustvarili neenakomerne, valovite koncentracije naboja. Ali pa so morda medsebojno delovali prek vrtenja, intrinzične lastnosti elektrona, ki ga usmeri v določeno smer, kot magnet kvantne velikosti.
Pokojni Philip Anderson, ameriški Nobelov nagrajenec in vsestranska legenda fizike kondenzirane snovi, je predstavil teorija le nekaj mesecev po odkritju visokotemperaturne superprevodnosti. Trdil je, da je v središču lepila prej opisan kvantni pojav, imenovan superizmenjava - sila, ki izhaja iz sposobnosti elektronov, da skačejo. Ko lahko elektroni skačejo med več lokacijami, njihov položaj v katerem koli trenutku postane negotov, medtem ko njihov zagon postane natančno določen. Ostrejši zagon je lahko nižji zagon in zato nižjeenergijsko stanje, ki ga delci naravno iščejo.
Rezultat je, da elektroni iščejo situacije, v katerih lahko skočijo. Elektron raje kaže navzdol, ko njegov sosed na primer kaže navzgor, saj ta razlika omogoča, da dva elektrona skačeta med istima atomoma. Na ta način superizmenjava vzpostavi reden vzorec vrtljajev elektronov navzgor-dol-gor-dol v nekaterih materialih. Prav tako potiska elektrone, da ostanejo na določeni razdalji. (Predaleč in ne morejo skočiti.) Ta učinkovita privlačnost je tista, za katero je Anderson verjel, da lahko tvori močne Cooperjeve pare.
Eksperimentalci so se dolgo trudili preizkusiti teorije, kot je Andersonova, saj so materialne lastnosti, ki so jih lahko izmerili, na primer odbojnost ali odpornost, ponudile le grobe povzetke skupnega vedenja trilijonov elektronov, ne parov.
"Nobena od tradicionalnih tehnik fizike kondenzirane snovi ni bila nikoli zasnovana za rešitev takšnega problema," je dejal Davis.
Super-eksperiment
Davis, irski fizik z laboratoriji na Oxfordu, Univerzi Cornell, University College Cork in Mednarodni raziskovalni šoli Maxa Plancka za kemijo in fiziko kvantnih materialov v Dresdnu, je postopoma razvil orodja za natančno preučevanje kupratov na atomski ravni. Prejšnji poskusi so merili moč superprevodnosti materiala tako, da so ga ohlajali, dokler ni dosegel kritične temperature, kjer se je začela superprevodnost - pri čemer višje temperature kažejo na močnejše lepilo. Toda v zadnjem desetletju je Davisova skupina izpopolnila način za draženje lepila okoli posameznih atomov.
Spremenili so uveljavljeno tehniko, imenovano skenirajoča tunelska mikroskopija, ki vleče iglo po površini in meri tok elektronov, ki skačejo med obema. Z zamenjavo običajne kovinske konice igle za superprevodno konico in vlečenjem čez kuprat so izmerili tok elektronskih parov in ne posameznikov. To jim omogoča preslikavo gostote Cooperjevih parov, ki obkrožajo vsak atom - neposredno merilo superprevodnosti. Objavili so prvo sliko roji Cooperjevih parov in Narava v 2016.
Istega leta je poskus kitajskih fizikov zagotovil pomemben dokaz ki podpirajo Andersonovo teorijo superizmenjave: Pokazali so, da čim lažje elektroni skačejo med atomi bakra in kisika v danem kupratu, tem višja je kritična temperatura kuprata (in s tem močnejše je njegovo lepilo). Davis in njegovi kolegi so poskušali združiti oba pristopa v enem samem kupratnem kristalu, da bi bolj dokončno razkrili naravo lepila.
Trenutek "aha" je prišel na skupinskem srečanju o Zoomu leta 2020, je dejal. Raziskovalci so ugotovili, da ima kuprat, imenovan bizmut, stroncij, kalcijev in bakrov oksid (BSCCO ali na kratko "bisko") posebno lastnost, ki je omogočila njihov sanjski poskus. V BSCCO se plasti atomov bakra in kisika stisnejo v valovit vzorec zaradi okoliških listov atomov. To spreminja razdalje med določenimi atomi, kar posledično vpliva na energijo, potrebno za skok. Sprememba povzroča glavobole teoretikom, ki imajo radi svoje rešetke urejene, vendar je eksperimentatorjem dala točno to, kar so potrebovali: vrsto skakajočih energij v enem vzorcu.
Uporabili so tradicionalni vrstični mikroskop s kovinsko konico, da so elektrone prilepili na nekatere atome in jih iztrgali iz drugih ter preslikali skakajoče energije čez kuprat. Nato so zamenjali kupratno konico, da bi izmerili gostoto Cooperjevih parov okoli vsakega atoma.
Zemljevida sta se postavila v vrsto. Kjer so se elektroni trudili skočiti, je bila superprevodnost šibka. Kjer je bilo skakanje enostavno, je bila superprevodnost močna. Razmerje med energijo skoka in gostoto Cooperjevega para se je zelo ujemalo s sofisticiranim numerična napoved iz leta 2021 Tremblay in sodelavci, ki so trdili, da bi moralo to razmerje izhajati iz Andersonove teorije.
Super lepilo Superexchange
Davisova ugotovitev, da je energija skokov povezana s superprevodnostjo, objavljena ta mesec v Zbornik National Academy of Sciences, močno namiguje, da je superexchange super lepilo, ki omogoča visokotemperaturno superprevodnost.
"To je lepo delo, saj prinaša novo tehniko, ki dodatno dokazuje, da ima ta ideja noge," je dejal Ali Yazdani, fizik na univerzi Princeton, ki je razvil podobne tehnike za preučevanje kupratov in drugi eksotični primeri superprevodnosti vzporedno z Davisovo skupino.
Toda Yazdani in drugi raziskovalci opozarjajo, da še vedno obstaja možnost, čeprav majhna, da se moč lepila in enostavnost skakanja premikata v koraku iz nekega drugega razloga in da se področje ujame v klasično past korelacije enake vzročnosti. Za Yazdanija bo pravi način za dokazovanje vzročne povezave izkoristiti superizmenjave za inženiring nekaterih bleščečih novih superprevodnikov.
»Če je končano, povečajmo Tc,« je rekel, sklicujoč se na kritično temperaturo.
Superborza ni nova ideja, zato je o njej razmišljalo že veliko raziskovalcev kako ga okrepiti, morda z nadaljnjim stiskanjem rešetke bakra in kisika ali eksperimentiranjem z drugimi pari elementov. "Napovedi so že na mizi," je dejal Tremblay.
Seveda skiciranje atomskih načrtov in oblikovanje materialov, ki delajo tisto, kar želijo raziskovalci, ni hitro ali enostavno. Poleg tega ni nobenega zagotovila, da bodo tudi kuprati, narejeni po meri, dosegli kritične temperature, veliko višje od tistih pri kupratih, ki jih že poznamo. Moč superizmenjave bi lahko imela trd strop, tako kot se zdi, da imajo atomske vibracije. Nekateri raziskovalci so preiskovanje kandidatov za povsem drugačne in potencialno še močnejše vrste lepila. drugi izkoristiti nezemeljske pritiske okrepiti tradicionalne atomske vibracije.
Toda Davisov rezultat bi lahko spodbudil in osredotočil prizadevanja kemikov in znanstvenikov o materialih, ki želijo kupratne superprevodnike dvigniti v višje višine.
"Ustvarjalnost ljudi, ki oblikujejo materiale, je neomejena," je dejal Schmalian. "Bolj kot smo prepričani, da je mehanizem pravi, bolj naravno je, da vlagamo vanj."
