เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่กลุ่มคริสตัลได้ทำให้นักฟิสิกส์ต้องชะงักงันด้วยความสามารถในการนำยิ่งยวด—นั่นคือ นำกระแสไฟฟ้าโดยไม่มีความต้านทานใดๆ — ที่อุณหภูมิอุ่นกว่าวัสดุอื่นๆ
ตอนนี้ ปีของการทดลองในการทำมี ตัวนำยิ่งยวดที่มองเห็นได้โดยตรง ในระดับอะตอมในคริสตัลเหล่านี้ ในที่สุดก็เปิดเผยสาเหตุของปรากฏการณ์นี้จนแทบทุกคนพอใจ ดูเหมือนว่าอิเล็กตรอนจะเคลื่อนเข้าหากันเป็นกระแสที่ไม่เสียดสีในลักษณะแรกที่ทฤษฎีที่เคารพแนะนำซึ่งมีอายุเกือบจะเก่าแก่พอๆ กับความลึกลับนั้นเอง
“หลักฐานนี้สวยงามและตรงไปตรงมาจริงๆ” . กล่าว ซูบีร์ ซัคเดฟนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด ผู้สร้างทฤษฎีเกี่ยวกับคริสตัล หรือที่รู้จักในชื่อ cuprates และไม่ได้มีส่วนร่วมในการทดลองนี้
“ฉันแก้ไขปัญหานี้มา 25 ปีแล้ว และฉันหวังว่าฉันจะแก้ปัญหานี้ได้” . กล่าว JC Seamus Davisซึ่งเป็นผู้นำการทดลองใหม่ที่มหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ด “ฉันตื่นเต้นมาก”
การวัดใหม่นี้ตรงกับการคาดการณ์ตามทฤษฎี ซึ่งระบุถึงความเป็นตัวนำยิ่งยวดของ cuprate กับปรากฏการณ์ควอนตัมที่เรียกว่า superexchange “ฉันรู้สึกทึ่งกับข้อตกลงเชิงปริมาณ” . กล่าว อังเดร-มารี เทรมเบลย์นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยเชอร์บรูคในแคนาดาและหัวหน้ากลุ่มผู้ทำนายเมื่อปีที่แล้ว
การวิจัยช่วยพัฒนาความทะเยอทะยานที่ยืนต้นของภาคสนาม: เพื่อนำความเป็นตัวนำยิ่งยวดและเสริมความแข็งแกร่งของกลไกพื้นฐาน เพื่อออกแบบวัสดุที่เปลี่ยนแปลงโลกซึ่งสามารถนำไฟฟ้ายิ่งยวดได้ในอุณหภูมิที่สูงขึ้นไปอีก การนำไฟฟ้ายิ่งยวดที่อุณหภูมิห้องจะนำประสิทธิภาพที่สมบูรณ์แบบมาสู่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ สายไฟ และอื่นๆ ในชีวิตประจำวัน แม้ว่าวัตถุประสงค์จะยังห่างไกล
“หากทฤษฎีในชั้นเรียนนี้ถูกต้อง” เดวิสกล่าว โดยอ้างถึงทฤษฎีการแลกเปลี่ยนซูเปอร์เทรด “มันควรจะเป็นไปได้ที่จะอธิบายวัสดุสังเคราะห์ที่มีอะตอมต่างกันในตำแหน่งต่างๆ” ซึ่งอุณหภูมิวิกฤตจะสูงขึ้น
สองกาว
นักฟิสิกส์ต้องดิ้นรนกับความเป็นตัวนำยิ่งยวดตั้งแต่พบครั้งแรกในปี 1911 นักวิทยาศาสตร์ชาวดัตช์ Heike Kamerlingh Onnes และผู้ทำงานร่วมกันได้ทำให้ลวดปรอทเย็นลงประมาณ 4 เคลวิน (นั่นคือ 4 องศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์) และมองด้วยความประหลาดใจเมื่อความต้านทานไฟฟ้าลดลงเหลือศูนย์ . อิเล็กตรอนเคลื่อนตัวผ่านลวดอย่างคล่องแคล่วโดยไม่สร้างความร้อนเมื่อชนกับอะตอม ซึ่งเป็นต้นกำเนิดของความต้านทาน เดวิสกล่าวว่าต้องใช้ "ความพยายามตลอดชีวิต" เพื่อหาวิธี
John Bardeen, Leon Cooper และ John Robert Schrieffer สร้างขึ้นจากข้อมูลเชิงลึกด้านการทดลองที่สำคัญในช่วงกลางทศวรรษ 1950 ตีพิมพ์ทฤษฎีที่ได้รับรางวัลโนเบล ของรูปแบบการนำไฟฟ้ายิ่งยวดตามแบบแผนนี้ในปี 1957 “ทฤษฎี BCS” ดังที่ทราบกันในปัจจุบันนี้ ถือได้ว่าการสั่นไหวเคลื่อนที่ผ่านแถวของอะตอม "กาว" อิเล็กตรอนเข้าด้วยกัน เมื่ออิเล็กตรอนที่มีประจุลบบินไปมาระหว่างอะตอม มันจะดึงนิวเคลียสของอะตอมที่มีประจุบวกเข้าหามันและทำให้เกิดระลอกคลื่น ระลอกคลื่นนั้นดึงอิเล็กตรอนตัวที่สองเข้ามา การเอาชนะแรงขับทางไฟฟ้าที่รุนแรง อิเล็กตรอนทั้งสองก่อตัวเป็น “คูเปอร์คู่”
“มันเป็นกลลวงของธรรมชาติอย่างแท้จริง” . กล่าว ยอร์ก ชมาเลียนนักฟิสิกส์จากสถาบันเทคโนโลยีคาร์ลสรูเฮอในประเทศเยอรมนี “คู่คูเปอร์คู่นี้ไม่ควรจะเกิดขึ้น”
เมื่ออิเล็กตรอนควบคู่กัน กลอุบายควอนตัมเพิ่มเติมจะทำให้ตัวนำยิ่งยวดหลีกเลี่ยงไม่ได้ โดยปกติอิเล็กตรอนไม่สามารถทับซ้อนกันได้ แต่คู่คูเปอร์ใช้กฎกลควอนตัมที่ต่างกัน พวกมันทำหน้าที่เหมือนอนุภาคของแสง ซึ่งจำนวนเท่าใดก็ได้ที่สามารถกองบนหัวเข็มหมุดได้ คูเปอร์หลายคู่มารวมกันและรวมเข้าเป็นสถานะทางกลควอนตัมเดียว ซึ่งเป็น "ของไหลยิ่งยวด" ที่ลืมเลือนอะตอมที่ผ่านเข้ามา
ทฤษฎี BCS ยังอธิบายด้วยว่าเหตุใดปรอทและองค์ประกอบโลหะอื่น ๆ ส่วนใหญ่มีตัวนำยิ่งยวดเมื่อถูกทำให้เย็นลงใกล้กับศูนย์สัมบูรณ์ แต่หยุดทำเช่นนั้นเหนือระดับเคลวินสองสามเคลวิน ระลอกคลื่นปรมาณูทำให้เกิดกาวที่อ่อนแอที่สุด เร่งความร้อนขึ้น และมันจะกระตุกอะตอมและชะล้างการสั่นสะเทือนของโครงตาข่าย
จากนั้นในปี 1986 นักวิจัยของ IBM Georg Bednorz และ Alex Müller ได้พบกับกาวอิเล็กตรอนที่แข็งแรงกว่าในถ้วยแก้ว: ผลึกที่ประกอบด้วยแผ่นทองแดงและออกซิเจนที่กระจายตัวระหว่างชั้นขององค์ประกอบอื่นๆ หลังจากที่พวกเขา สังเกต cuprate ตัวนำยิ่งยวดที่ 30 เคลวิน ในไม่ช้านักวิจัยพบว่าตัวนำยิ่งยวด สูงกว่า 100, แล้วข้างบน 130 เคลวิน.
การพัฒนาครั้งนี้ทำให้เกิดความพยายามอย่างกว้างขวางในการทำความเข้าใจเกี่ยวกับกาวที่เหนียวกว่าซึ่งรับผิดชอบต่อความเป็นตัวนำยิ่งยวด "อุณหภูมิสูง" นี้ บางทีอิเล็กตรอนอาจรวมตัวกันเพื่อสร้างความเข้มข้นของประจุเป็นหย่อม ๆ หรือบางทีพวกมันอาจมีปฏิสัมพันธ์กันผ่านการหมุน ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่แท้จริงของอิเล็กตรอนที่ปรับทิศทางของมันไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง เช่น แม่เหล็กขนาดควอนตัม
ฟิลิป แอนเดอร์สัน ผู้ล่วงลับไปแล้ว ผู้ได้รับรางวัลโนเบลชาวอเมริกัน และตำนานรอบด้านในวิชาฟิสิกส์สสารควบแน่น นำเสนอ ทฤษฎี เพียงไม่กี่เดือนหลังจากค้นพบความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง ที่ใจกลางของกาว เขาโต้เถียง โดยวางปรากฏการณ์ควอนตัมที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้ที่เรียกว่า superexchange ซึ่งเป็นแรงที่เกิดจากความสามารถในการกระโดดของอิเล็กตรอน เมื่ออิเล็กตรอนสามารถกระโดดไปมาระหว่างตำแหน่งต่างๆ ได้ ตำแหน่งของพวกมันในช่วงเวลาใดเวลาหนึ่งจะไม่แน่นอน ในขณะที่โมเมนตัมของพวกมันจะถูกกำหนดอย่างแม่นยำ โมเมนตัมที่คมชัดกว่าอาจเป็นโมเมนตัมที่ต่ำกว่า ดังนั้นจึงเป็นสถานะพลังงานต่ำ ซึ่งอนุภาคจะแสวงหาโดยธรรมชาติ
ผลที่สุดคืออิเล็กตรอนแสวงหาสถานการณ์ที่สามารถกระโดดได้ อิเล็กตรอนชอบชี้ลงเมื่อเพื่อนบ้านชี้ขึ้น เนื่องจากความแตกต่างนี้ทำให้อิเล็กตรอนทั้งสองสามารถกระโดดระหว่างอะตอมเดียวกันได้ ด้วยวิธีนี้ superexchange จะสร้างรูปแบบการหมุนของอิเล็กตรอนขึ้น-ลง-ลง-ลงเป็นประจำในวัสดุบางชนิด นอกจากนี้ยังสะกิดอิเล็กตรอนให้อยู่ห่างกัน (ไกลเกินไปและพวกเขากระโดดไม่ได้) แรงดึงดูดที่มีประสิทธิภาพนี้ซึ่งแอนเดอร์สันเชื่อว่าสามารถสร้างคู่คูเปอร์ที่แข็งแกร่งได้
นักทดลองพยายามทดสอบทฤษฎีอย่างของ Anderson มาอย่างยาวนาน เนื่องจากคุณสมบัติของวัสดุที่สามารถวัดได้ เช่น การสะท้อนแสงหรือความต้านทาน ได้เสนอเพียงข้อมูลสรุปคร่าวๆ ของพฤติกรรมรวมของอิเล็กตรอนหลายล้านล้านตัว ไม่ใช่คู่
"เทคนิคดั้งเดิมของฟิสิกส์ของสสารควบแน่นไม่เคยได้รับการออกแบบมาเพื่อแก้ปัญหาเช่นนี้" เดวิสกล่าว
สุดยอดการทดลอง
Davis นักฟิสิกส์ชาวไอริชที่มีห้องทดลองที่ Oxford, Cornell University, University College Cork และ International Max Planck Research School for Chemistry and Physics of Quantum Materials ใน Dresden ได้ค่อยๆ พัฒนาเครื่องมือเพื่อกลั่นกรอง cuprates ในระดับอะตอม การทดลองก่อนหน้านี้วัดความแข็งแรงของตัวนำยิ่งยวดของวัสดุโดยการทำให้เย็นลงจนกระทั่งถึงอุณหภูมิวิกฤตที่ซึ่งความเป็นตัวนำยิ่งยวดเริ่มต้นขึ้น โดยอุณหภูมิที่อุ่นขึ้นแสดงว่ามีกาวที่แรงกว่า แต่ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา กลุ่มของ Davis ได้ปรับปรุงวิธีการที่จะกระตุ้นกาวรอบๆ อะตอมแต่ละตัว
พวกเขาปรับเปลี่ยนเทคนิคที่เรียกว่ากล้องจุลทรรศน์สแกนอุโมงค์ ซึ่งลากเข็มข้ามพื้นผิว วัดกระแสของอิเล็กตรอนที่กระโดดระหว่างทั้งสอง โดยการสลับปลายโลหะธรรมดาของเข็มไปเป็นปลายตัวนำยิ่งยวดและกวาดผ่านถ้วยรางวัล พวกเขาวัดกระแสของคู่อิเล็กตรอนมากกว่าตัวบุคคล สิ่งนี้ทำให้พวกเขาทำแผนที่ความหนาแน่นของคู่คูเปอร์รอบ ๆ แต่ละอะตอม ซึ่งเป็นการวัดโดยตรงของตัวนำยิ่งยวด พวกเขาเผยแพร่ภาพแรกของ ฝูงคูเปอร์คู่ in ธรรมชาติ ใน 2016
ในปีเดียวกันนั้นเอง มีการทดลองโดยนักฟิสิกส์ชาวจีน หลักฐานชิ้นสำคัญ สนับสนุนทฤษฎีการแลกเปลี่ยน superexchange ของ Anderson: พวกเขาแสดงให้เห็นว่ายิ่งอิเล็กตรอนสามารถกระโดดระหว่างอะตอมของทองแดงและออกซิเจนใน cuprate ที่กำหนดได้ง่ายกว่า อุณหภูมิวิกฤตของ cuprate ยิ่งสูงขึ้น (และทำให้กาวมีความแข็งแรงมากขึ้น) เดวิสและเพื่อนร่วมงานของเขาพยายามที่จะรวมวิธีการทั้งสองเข้าด้วยกันในคริสตัลคัพเรตเดียวเพื่อเผยให้เห็นถึงธรรมชาติของกาวที่สรุปได้ชัดเจนยิ่งขึ้น
ช่วงเวลา "aha" เกิดขึ้นในการประชุมกลุ่มผ่าน Zoom ในปี 2020 เขากล่าว นักวิจัยตระหนักว่า cuprate ที่เรียกว่าบิสมัทสตรอนเทียมแคลเซียมคอปเปอร์ออกไซด์ (BSCCO หรือ "bisko" สำหรับระยะสั้น) มีลักษณะเฉพาะที่ทำให้การทดลองในฝันของพวกเขาเป็นไปได้ ใน BSCCO ชั้นของอะตอมทองแดงและออกซิเจนจะถูกบีบให้เป็นรูปแบบคลื่นโดยแผ่นอะตอมที่อยู่รอบๆ สิ่งนี้ทำให้ระยะห่างระหว่างอะตอมต่างกันไป ซึ่งจะส่งผลต่อพลังงานที่ต้องใช้ในการกระโดด การเปลี่ยนแปลงนี้ทำให้เกิดอาการปวดหัวสำหรับนักทฤษฎีซึ่งชอบโครงตาข่ายที่เป็นระเบียบ แต่ให้ผู้ทดลองได้สิ่งที่ต้องการอย่างแท้จริง นั่นคือช่วงของพลังงานกระโดดในตัวอย่างเดียว
พวกเขาใช้กล้องจุลทรรศน์แบบสแกนแบบดั้งเดิมที่มีปลายโลหะเพื่อติดอิเล็กตรอนบนอะตอมบางอะตอมแล้วดึงออกจากอะตอมอื่น จับคู่พลังงานกระโดดข้ามคัพเรต จากนั้นพวกเขาก็สลับกันเป็นหัวคิวเรตเพื่อวัดความหนาแน่นของคู่คูเปอร์รอบ ๆ แต่ละอะตอม
แผนที่ทั้งสองเรียงกัน ที่ซึ่งอิเล็กตรอนพยายามกระโดด ตัวนำยิ่งยวดก็อ่อนแอ ที่ที่กระโดดได้ง่าย ตัวนำยิ่งยวดก็แข็งแกร่ง ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานกระโดดและความหนาแน่นของคู่คูเปอร์นั้นใกล้เคียงกับความซับซ้อน การทำนายตัวเลข จากปี 2021 โดย Tremblay และเพื่อนร่วมงานซึ่งแย้งว่าความสัมพันธ์นี้ควรเป็นไปตามทฤษฎีของ Anderson
Superexchange ซุปเปอร์กลู
การค้นพบของเดวิสว่าพลังงานกระโดดนั้นเชื่อมโยงกับความแข็งแกร่งของตัวนำยิ่งยวด เผยแพร่ในเดือนนี้ใน กิจการของ National Academy of Sciencesบอกเป็นนัยอย่างยิ่งว่า superexchange เป็นซุปเปอร์กาวที่ช่วยให้เกิดตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง
“เป็นผลงานที่ดีเพราะมันนำเทคนิคใหม่มาแสดงเพิ่มเติมว่าแนวคิดนี้มีขา” . กล่าว อาลี ยาซดานี, นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยพรินซ์ตันที่ได้พัฒนาเทคนิคที่คล้ายกันเพื่อศึกษา cuprates และ กรณีแปลกใหม่อื่น ๆ ของตัวนำยิ่งยวดควบคู่ไปกับกลุ่มของเดวิส
แต่ Yazdani และนักวิจัยคนอื่นๆ เตือนว่ายังมีโอกาสแม้จะอยู่ห่างไกล ความแข็งแรงของกาวและความง่ายในการกระโดดจะเคลื่อนที่ในขั้นล็อกด้วยเหตุผลอื่น และสนามกำลังตกอยู่ในกับดักแบบคลาสสิกที่สัมพันธ์กัน-เท่ากับ-สาเหตุ สำหรับ Yazdani วิธีที่แท้จริงในการพิสูจน์ความสัมพันธ์เชิงสาเหตุคือการควบคุม superexchange เพื่อสร้างตัวนำยิ่งยวดใหม่ที่ฉูดฉาด
“ถ้าเสร็จแล้วมาเพิ่มกันเถอะ Tc” เขากล่าวโดยอ้างถึงอุณหภูมิวิกฤต
Superexchange ไม่ใช่แนวคิดใหม่ จึงมีนักวิจัยหลายคนคิดไว้แล้ว วิธีเสริมความแข็งแกร่งบางทีอาจจะโดยการบีบตาข่ายทองแดงและออกซิเจนเพิ่มเติม หรือทดลองกับองค์ประกอบคู่อื่นๆ “มีการคาดการณ์บนโต๊ะแล้ว” Tremblay กล่าว
แน่นอนว่าการร่างแบบพิมพ์เขียวปรมาณูและการออกแบบวัสดุที่ทำในสิ่งที่นักวิจัยต้องการนั้นไม่ใช่เรื่องง่ายและรวดเร็ว ยิ่งกว่านั้น ไม่มีการรับประกันว่าแม้แต่ cuprate แบบสั่งทำพิเศษจะมีอุณหภูมิวิกฤตที่สูงกว่าอุณหภูมิของ cuprate ที่เราทราบอยู่แล้ว ความแข็งแกร่งของ superexchange อาจมีเพดานแข็ง เช่นเดียวกับการสั่นสะเทือนของอะตอม นักวิจัยบางคนคือ สอบสวนผู้สมัคร สำหรับกาวชนิดที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิงและอาจแข็งแกร่งกว่า คนอื่น ใช้ประโยชน์จากแรงกดดันที่พิศวง เพื่อรองรับการสั่นสะเทือนของอะตอมแบบดั้งเดิม
แต่ผลลัพธ์ของเดวิสสามารถกระตุ้นและมุ่งความสนใจไปที่ความพยายามของนักเคมีและนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุ ซึ่งตั้งเป้าที่จะยกตัวนำยิ่งยวดแบบ cuprate ให้สูงขึ้นไปอีก
“ความคิดสร้างสรรค์ของผู้ที่ออกแบบวัสดุนั้นไร้ขีดจำกัด” Schmalian กล่าว “ยิ่งเรามั่นใจว่ากลไกถูกต้องมากเท่าไหร่ การลงทุนเพิ่มเติมในกลไกนี้ก็เป็นธรรมชาติมากขึ้นเท่านั้น”
