I årtionden har en familj av kristaller stött fysiker med sin förbryllande förmåga att supraledning - det vill säga bära en elektrisk ström utan motstånd - vid mycket varmare temperaturer än andra material.
Nu har ett experiment år på gång direkt visualiserad supraledning på atomär skala i en av dessa kristaller, och till slut avslöjar orsaken till fenomenet till nästan allas belåtenhet. Elektroner verkar knuffa varandra till ett friktionsfritt flöde på ett sätt som först antyddes av en vördnadsvärd teori nästan lika gammal som mysteriet självt.
"Detta bevis är verkligen vackert och direkt," sa Subir Sachdev, en fysiker vid Harvard University som bygger teorier om kristallerna, kända som kuprater, och var inte involverad i experimentet.
"Jag har arbetat med det här problemet i 25 år, och jag hoppas att jag har löst det," sa JC Séamus Davis, som ledde det nya experimentet vid University of Oxford. "Jag är helt överlycklig."
Den nya mätningen matchar en förutsägelse baserad på teorin, som tillskriver cuprate supraledning till ett kvantfenomen som kallas superexchange. "Jag är förvånad över det kvantitativa avtalet," sa André-Marie Tremblay, en fysiker vid University of Sherbrooke i Kanada och ledaren för gruppen som gjorde förutsägelsen förra året.
Forskningen främjar fältets ständiga ambition: att ta cuprate-supraledning och stärka dess underliggande mekanism, för att designa världsföränderliga material som kan supraledande elektricitet vid ännu högre temperaturer. Rumstemperatur supraledning skulle ge perfekt effektivitet till vardagselektronik, kraftledningar och mer, även om målet förblir ett avlägset sådant.
"Om denna klass av teori är korrekt," sa Davis, med hänvisning till superutbytesteorin, "bör det vara möjligt att beskriva syntetiska material med olika atomer på olika platser" för vilka den kritiska temperaturen är högre.
Två lim
Fysiker har kämpat med supraledning sedan den observerades första gången 1911. Den holländska forskaren Heike Kamerlingh Onnes och medarbetare kylde en kvicksilvertråd till cirka 4 kelvin (det vill säga 4 grader över absolut noll) och såg med förvåning hur det elektriska motståndet sjönk till noll . Elektroner gick skickligt igenom tråden utan att generera värme när de kolliderade med dess atomer - ursprunget till motstånd. Det skulle ta "en livstid av ansträngning", sa Davis, för att ta reda på hur.
Byggande på viktiga experimentella insikter från mitten av 1950-talet, John Bardeen, Leon Cooper och John Robert Schrieffer publicerade sin Nobelprisbelönta teori av denna konventionella form av supraledning 1957. "BCS-teorin", som den är känd idag, hävdar att vibrationer som rör sig genom rader av atomer "limmar" elektroner tillsammans. När en negativt laddad elektron flyger mellan atomer drar den de positivt laddade atomkärnorna mot sig och sätter igång en krusning. Den krusningen drar in en andra elektron. De två elektronerna övervinner sin våldsamma elektriska repulsion och bildar ett "Cooper-par".
"Det är sant lureri av naturen," sa Jörg Schmalian, fysiker vid Karlsruhe Institute of Technology i Tyskland. "Det här Cooper-paret är inte tänkt att hända."
När elektroner kopplas ihop gör ytterligare kvanttrick superledning oundviklig. Normalt kan elektroner inte överlappa varandra, men Cooper-par följer en annan kvantmekanisk regel; de fungerar som ljuspartiklar, vars antal kan hamna på ett stifts huvud. Många Cooper-par går samman och smälter samman till ett enda kvantmekaniskt tillstånd, en "supervätska", som blir omedveten om atomerna den passerar mellan.
BCS-teorin förklarade också varför kvicksilver och de flesta andra metalliska element är supraledande när de kyls nära absolut noll men slutar göra det över några kelviner. Atomiska krusningar gör för det svagaste av lim. Vrid upp värmen, och det skakar atomer och tvättar bort gittervibrationerna.
Sedan 1986, snubblade IBM-forskarna Georg Bednorz och Alex Müller på ett starkare elektronlim i kuprater: kristaller bestående av skivor av koppar och syre varvat mellan lager av andra element. Efter de observerade en kuprat supraledande vid 30 kelvin, fann forskare snart andra som supraledning över 100, och sedan ovan 130 kelvin.
Genombrottet startade en omfattande ansträngning för att förstå det tuffare lim som är ansvarigt för denna "högtemperatur" supraledning. Kanske hopade sig elektroner för att skapa fläckiga, porlande laddningskoncentrationer. Eller så kanske de interagerade genom spinn, en inneboende egenskap hos elektronen som orienterar den i en viss riktning, som en magnet i kvantstorlek.
Den bortgångne Philip Anderson, en amerikansk nobelpristagare och all-around legend inom den kondenserade materiens fysik, sa en teori bara månader efter att högtemperatursupraledning upptäcktes. I hjärtat av limmet, hävdade han, låg ett tidigare beskrivet kvantfenomen som kallas superutbyte - en kraft som uppstår från elektronernas förmåga att hoppa. När elektroner kan hoppa mellan flera platser, blir deras position vid vilket ögonblick som helst osäker, medan deras momentum blir exakt definierat. Ett skarpare momentum kan vara ett lägre momentum, och därför ett lägre energitillstånd, som partiklar naturligt söker sig till.
Resultatet är att elektroner söker situationer där de kan hoppa. En elektron föredrar att peka nedåt när dess granne pekar uppåt, till exempel, eftersom denna distinktion tillåter de två elektronerna att hoppa mellan samma atomer. På detta sätt etablerar superexchange ett regelbundet upp-ned-upp-ner-mönster av elektronsnurr i vissa material. Det knuffar också elektroner att hålla sig ett visst avstånd från varandra. (För långt, och de kan inte hoppa.) Det är denna effektiva attraktion som Anderson trodde kunde bilda starka Cooper-par.
Experimentalister kämpade länge för att testa teorier som Andersons, eftersom materialegenskaper som de kunde mäta, som reflektivitet eller resistans, bara erbjöd grova sammanfattningar av det kollektiva beteendet hos biljoner elektroner, inte par.
"Ingen av de traditionella teknikerna inom den kondenserade materiens fysik har någonsin designats för att lösa ett problem som detta," sa Davis.
Super-experiment
Davis, en irländsk fysiker med laboratorier vid Oxford, Cornell University, University College Cork och International Max Planck Research School for Chemistry and Physics of Quantum Materials i Dresden, har gradvis utvecklat verktyg för att granska cuprates på atomnivå. Tidigare experiment mätte styrkan hos ett material supraledning genom att kyla det tills det nådde den kritiska temperaturen där supraledning började - med varmare temperaturer som indikerar starkare lim. Men under det senaste decenniet har Davis grupp förfinat ett sätt att driva limet runt enskilda atomer.
De modifierade en etablerad teknik som kallas scanning tunneling microscopy, som drar en nål över en yta och mäter strömmen av elektroner som hoppar mellan de två. Genom att byta ut nålens normala metallspets mot en supraledande spets och svepa den över en cuprate, mätte de en ström av elektronpar snarare än individer. Detta låter dem kartlägga tätheten av Cooper-par som omger varje atom - ett direkt mått på supraledning. De publicerade den första bilden av svärmar av Cooper-par in Natur i 2016.
Samma år tillhandahöll ett experiment av kinesiska fysiker ett viktigt bevis stödjer Andersons superutbytesteori: De visade att ju lättare det är för elektroner att hoppa mellan koppar- och syreatomer i en given kuprat, desto högre är kupratens kritiska temperatur (och därmed desto starkare dess lim). Davis och hans kollegor försökte kombinera de två tillvägagångssätten i en enda kupratkristall för att mer avgörande avslöja limets natur.
"Aha"-ögonblicket kom i ett gruppmöte över Zoom 2020, sa han. Forskarna insåg att en kuprat som kallas vismut strontiumkalciumkopparoxid (BSCCO, eller "bisko", för kort) hade en speciell egenskap som gjorde deras drömexperiment möjligt. I BSCCO pressas lagren av koppar- och syreatomer in i ett vågmönster av de omgivande atomskikten. Detta varierar avstånden mellan vissa atomer, vilket i sin tur påverkar energin som krävs för att hoppa. Variationen orsakar huvudvärk för teoretiker, som gillar att deras galler är snyggt, men det gav experimentalisterna precis vad de behövde: en rad hoppande energier i ett prov.
De använde ett traditionellt skanningsmikroskop med en metallspets för att fästa elektroner på vissa atomer och plocka dem från andra, och kartlägga hoppenergierna över kupraten. De bytte sedan in en kupratspets för att mäta densiteten av Cooper-par runt varje atom.
De två kartorna stod i rad. Där elektroner kämpade för att hoppa var supraledning svag. Där det var lätt att hoppa var superledningsförmågan stark. Förhållandet mellan hoppenergi och Cooper-partäthet matchade nära en sofistikerad numerisk förutsägelse från 2021 av Tremblay och kollegor, som menade att detta förhållande borde följa av Andersons teori.
Superexchange Super Glue
Davis upptäckt att hoppenergi är kopplat till supraledningsstyrka, publicerad denna månad i Proceedings of the National Academy of Sciences, antyder starkt att superexchange är superlimmet som möjliggör supraledning vid hög temperatur.
"Det är ett trevligt arbete eftersom det ger en ny teknik för att ytterligare visa att den här idén har ben," sa Ali Yazdani, en fysiker vid Princeton University som har utvecklat liknande tekniker för att studera cuprates och andra exotiska tillfällen av supraledning parallellt med Davis grupp.
Men Yazdani och andra forskare varnar för att det fortfarande finns en chans, hur avlägsen den än är, att limstyrkan och lättheten att hoppa går i lås av någon annan anledning, och att fältet faller i den klassiska korrelations-likar-orsaksfällan. För Yazdani kommer det verkliga sättet att bevisa ett orsakssamband vara att utnyttja superexchange för att konstruera några flashiga nya supraledare.
"Om det är klart, låt oss öka Tc”, sa han och syftade på den kritiska temperaturen.
Superexchange är ingen ny idé, så många forskare har redan tänkt på hur man stärker den, kanske genom att ytterligare pressa ihop koppar- och syregittret eller experimentera med andra elementpar. "Det finns redan förutsägelser på bordet," sa Tremblay.
Att skissa atomritningar och designa material som gör vad forskare vill är naturligtvis inte snabbt eller enkelt. Dessutom finns det ingen garanti för att även skräddarsydda cuprates kommer att uppnå kritiska temperaturer mycket högre än de för cuprates vi redan känner till. Styrkan hos superexchange kan ha ett hårt tak, precis som atomvibrationer verkar ha. Vissa forskare är det undersöka kandidater för helt andra och potentiellt ännu starkare typer av lim. Andra utnyttja överjordiska tryck för att stödja de traditionella atomvibrationerna.
Men Davis resultat kan ge energi och fokusera ansträngningarna från kemister och materialforskare som syftar till att lyfta cuprate-supraledare till högre höjder.
"Kreativiteten hos människor som designar material är obegränsad," sa Schmalian. "Ju mer säkra vi är på att en mekanism är rätt, desto mer naturligt är det att investera mer i den här."
