Onlarca yıldır, bir kristal ailesi, diğer materyallerden çok daha yüksek sıcaklıklarda süperiletkenlik (yani herhangi bir direnç olmadan elektrik akımı taşıma) konusundaki şaşırtıcı yeteneğiyle fizikçileri şaşırttı.
Şimdi, yıllar süren bir deney, doğrudan görselleştirilmiş süperiletkenlik Bu kristallerden birinde atom ölçeğinde bir keşif yapıldı ve sonunda olayın nedeni neredeyse herkesi tatmin edecek şekilde ortaya çıktı. Elektronlar, ilk kez neredeyse gizem kadar eski olan saygın bir teorinin önerdiği şekilde, birbirlerini sürtünmesiz bir akışa doğru itiyor gibi görünüyor.
"Bu kanıt gerçekten çok güzel ve doğrudan" dedi Subir SachdevHarvard Üniversitesi'nde kuprat olarak bilinen kristallerin teorilerini geliştiren bir fizikçi ve deneyde yer almamıştı.
"25 yıldır bu sorun üzerinde çalışıyorum ve umarım çözmüşümdür" dedi JC Séamus DavisOxford Üniversitesi'ndeki yeni deneyi yöneten kişi. "Kesinlikle çok heyecanlıyım."
Yeni ölçüm, kuprat süperiletkenliğini süper değişim adı verilen bir kuantum fenomenine bağlayan teoriye dayanan bir tahminle eşleşiyor. "Niteliksel anlaşmaya hayran kaldım" dedi André-Marie TremblayKanada'daki Sherbrooke Üniversitesi'nden fizikçi ve geçen yıl tahminde bulunan grubun lideri.
Araştırma, alanın daimi tutkusunu ileriye taşıyor: daha yüksek sıcaklıklarda elektriği iletebilen, dünyayı değiştiren malzemeler tasarlamak için kuprat süperiletkenliğini almak ve bunun altında yatan mekanizmayı güçlendirmek. Oda sıcaklığındaki süperiletkenlik, her ne kadar hedef uzak olsa da günlük elektronik cihazlara, elektrik hatlarına ve daha fazlasına mükemmel verimlilik getirecek.
Davis, süper değişim teorisine atıfta bulunarak, "Eğer bu teori sınıfı doğruysa, kritik sıcaklığın daha yüksek olduğu, farklı konumlarda farklı atomlara sahip sentetik malzemeleri tanımlamak mümkün olmalıdır" dedi.
İki Tutkal
Fizikçiler süperiletkenliğin ilk kez gözlemlendiği 1911 yılından bu yana onunla mücadele ediyorlardı. Hollandalı bilim adamı Heike Kamerlingh Onnes ve çalışma arkadaşları bir cıva telini yaklaşık 4 kelvin'e (yani mutlak sıfırın 4 derece üstüne) kadar soğuttular ve elektrik direncinin sıfıra düşmesini şaşkınlıkla izlediler. . Elektronlar, direncin kaynağı olan atomlarla çarpıştıklarında ısı üretmeden telin içinden ustalıkla geçtiler. Davis, bunun nasıl yapılacağını bulmanın "ömür boyu çaba gerektireceğini" söyledi.
John Bardeen, Leon Cooper ve John Robert Schrieffer'in 1950'lerin ortalarından elde ettiği temel deneysel görüşlere dayanarak Nobel ödüllü teorilerini yayınladılar Süperiletkenliğin bu geleneksel biçimi 1957'de ortaya çıktı. Bugün bilindiği şekliyle “BCS teorisi”, atom sıraları boyunca hareket eden titreşimlerin elektronları birbirine “yapıştırdığını” öne sürüyor. Negatif yüklü bir elektron atomlar arasında uçarken, pozitif yüklü atom çekirdeklerini kendine doğru çeker ve bir dalgalanma başlatır. Bu dalgalanma ikinci bir elektronu çeker. Şiddetli elektriksel itmelerinin üstesinden gelen iki elektron, bir "Cooper çifti" oluşturur.
"Bu doğanın gerçek bir hilesidir" dedi Jörg SchmalianAlmanya'daki Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü'nde fizikçi. "Bu Cooper çiftinin yaşanmaması gerekiyordu."
Elektronlar birleştiğinde, daha fazla kuantum hilesi süperiletkenliği kaçınılmaz hale getirir. Normalde elektronlar üst üste gelemez ancak Cooper çiftleri farklı bir kuantum mekaniği kuralını izler; herhangi bir sayıda bir toplu iğnenin başına yığılabilen ışık parçacıkları gibi davranırlar. Pek çok Cooper çifti bir araya gelerek tek bir kuantum mekaniksel duruma, aralarından geçtiği atomlardan habersiz hale gelen bir "süperakışkan"a dönüşür.
BCS teorisi ayrıca cıva ve diğer birçok metalik elementin mutlak sıfıra yakın soğutulduğunda neden süper iletkenlik gösterdiğini, ancak birkaç kelvin üzerinde bunu yapmayı bıraktığını da açıkladı. Atomik dalgalanmalar en zayıf yapıştırıcıları oluşturur. Isıyı artırdığınızda atomlar sallanır ve kafes titreşimleri ortadan kalkar.
Daha sonra 1986'da IBM araştırmacıları Georg Bednorz ve Alex Müller kupratlarda daha güçlü bir elektron yapıştırıcısı buldular: diğer elementlerin katmanları arasına serpiştirilmiş bakır ve oksijen tabakalarından oluşan kristaller. Onlardan sonra bir kuprat gözlemlendi 30 kelvin'de süperiletken olan araştırmacılar kısa süre sonra başkalarını da süperiletken buldular 100 yukarıdave ardından yukarıda 130 kelvin.
Bu buluş, bu "yüksek sıcaklık" süperiletkenliğinden sorumlu olan daha sert yapıştırıcıyı anlamak için yaygın bir çabayı başlattı. Belki de elektronlar düzensiz, dalgalı yük konsantrasyonları oluşturmak için bir araya toplanmıştı. Veya belki de elektronun, onu kuantum boyutunda bir mıknatıs gibi belirli bir yöne yönlendiren kendine özgü bir özelliği olan spin yoluyla etkileşime giriyorlardı.
Amerikalı Nobel ödüllü ve yoğun madde fiziği alanında her yönüyle efsane olan merhum Philip Anderson, şunları ortaya koydu: bir teori yüksek sıcaklıkta süperiletkenliğin keşfedilmesinden sadece birkaç ay sonra. Tutkalın kalbinde, daha önce tarif edilen, süper değişim adı verilen bir kuantum fenomeninin (elektronların sıçrama yeteneğinden kaynaklanan bir kuvvet) yattığını savundu. Elektronlar birden fazla konum arasında sıçrayabildiğinde, herhangi bir andaki konumları belirsiz hale gelirken, momentumları da kesin olarak tanımlanmış olur. Daha keskin bir momentum, daha düşük bir momentum ve dolayısıyla parçacıkların doğal olarak aradığı daha düşük enerjili bir durum olabilir.
Sonuçta elektronlar sıçrayabilecekleri durumları ararlar. Örneğin bir elektron, komşusu yukarıyı gösterdiğinde aşağıya bakmayı tercih eder, çünkü bu ayrım iki elektronun aynı atomlar arasında sıçramasına olanak tanır. Bu şekilde süper değişim, bazı malzemelerde elektron dönüşlerinin düzenli bir yukarı-aşağı-yukarı-aşağı modelini oluşturur. Aynı zamanda elektronları birbirlerinden belirli bir mesafede durmaları için iter. (Çok uzağa giderler ve zıplayamazlar.) Anderson'un güçlü Cooper çiftleri oluşturabileceğine inandığı şey bu etkili çekimdir.
Deneyciler, Anderson'unki gibi teorileri test etmek için uzun süre uğraştılar; çünkü ölçebilecekleri yansıma veya direnç gibi maddi özellikler, çiftlerin değil, trilyonlarca elektronun kolektif davranışının yalnızca kaba özetlerini sunuyordu.
Davis, "Yoğun madde fiziğinin geleneksel tekniklerinden hiçbiri böyle bir sorunu çözmek için tasarlanmadı" dedi.
Süper Deney
Oxford, Cornell Üniversitesi, Cork Üniversitesi Koleji ve Dresden'deki Uluslararası Max Planck Kuantum Malzemelerinin Kimya ve Fiziği Araştırma Okulu'nda laboratuvarları bulunan İrlandalı fizikçi Davis, kupratları atom düzeyinde incelemek için yavaş yavaş araçlar geliştirdi. Daha önceki deneyler, bir malzemenin süperiletkenliğinin gücünü, onu süperiletkenliğin başladığı kritik sıcaklığa ulaşana kadar soğutarak ölçtü; daha yüksek sıcaklıklar daha güçlü tutkalı işaret ediyordu. Ancak son on yılda Davis'in grubu, bireysel atomların etrafındaki yapıştırıcıyı dürtmenin bir yolunu geliştirdi.
Taramalı tünelleme mikroskobu adı verilen, bir yüzey boyunca bir iğneyi sürükleyerek ikisi arasında sıçrayan elektronların akımını ölçen yerleşik bir tekniği değiştirdiler. İğnenin normal metalik ucunu süperiletken bir uçla değiştirerek ve onu bir kuprat üzerinde gezdirerek bireyler yerine elektron çiftlerinin akımını ölçtüler. Bu, her bir atomu çevreleyen Cooper çiftlerinin yoğunluğunu haritalandırmalarına olanak tanıdı; bu, süperiletkenliğin doğrudan bir ölçüsüdür. İlk görseli yayınladılar Cooper çifti sürüsü in Tabiat 2016 içinde.
Aynı yıl Çinli fizikçiler tarafından yapılan bir deney önemli bir kanıt Anderson'ın süper değişim teorisini destekliyor: Belirli bir kuprattaki bakır ve oksijen atomları arasında elektronların geçişi ne kadar kolaysa, kupratın kritik sıcaklığı o kadar yüksek (ve dolayısıyla yapıştırıcısı da o kadar güçlü) olduğunu gösterdiler. Davis ve meslektaşları, yapıştırıcının doğasını daha kesin bir şekilde ortaya çıkarmak için iki yaklaşımı tek bir kuprat kristalinde birleştirmeye çalıştılar.
"Aha" anın 2020'de Zoom üzerinden yapılan bir grup toplantısında geldiğini söyledi. Araştırmacılar, bizmut stronsiyum kalsiyum bakır oksit (BSCCO veya kısaca "bisko") adı verilen bir kupratın, hayallerindeki deneyi mümkün kılan tuhaf bir özelliğe sahip olduğunu fark ettiler. BSCCO'da, bakır ve oksijen atomlarından oluşan katmanlar, çevredeki atom tabakaları tarafından dalgalı bir desen halinde sıkıştırılır. Bu, belirli atomlar arasındaki mesafeyi değiştirir ve bu da zıplamak için gereken enerjiyi etkiler. Bu varyasyon, kafeslerinin düzenli olmasını isteyen teorisyenlerin baş ağrısına neden oluyor, ancak deneycilere tam olarak ihtiyaç duydukları şeyi verdi: tek bir örnekte bir dizi sıçrama enerjisi.
Elektronları bazı atomlara yapıştırmak ve diğerlerinden koparmak için metal uçlu geleneksel bir tarama mikroskobu kullandılar ve kuprat boyunca sıçrayan enerjilerin haritasını çıkardılar. Daha sonra her bir atomun etrafındaki Cooper çiftlerinin yoğunluğunu ölçmek için bir kuprat ucunu değiştirdiler.
İki harita yan yana. Elektronların zıplamaya çalıştığı yerde süperiletkenlik zayıftı. Atlamanın kolay olduğu yerde süperiletkenlik güçlüydü. Sıçrayan enerji ile Cooper çifti yoğunluğu arasındaki ilişki, karmaşık bir sayısal tahmin Tremblay ve meslektaşları tarafından 2021'den itibaren bu ilişkinin Anderson'un teorisinden kaynaklanması gerektiğini savundu.
Süperexchange Süper Yapıştırıcı
Davis'in sıçrama enerjisinin süperiletkenlik gücüyle bağlantılı olduğunu bulması bu ay The Guardian'da yayınlandı. Ulusal Bilimler Akademisi Tutanakları, süper değişimin yüksek sıcaklıkta süper iletkenliği mümkün kılan süper yapıştırıcı olduğunu kuvvetle ima eder.
"Bu güzel bir çalışma çünkü bu fikrin ayakları olduğunu daha da göstermek için yeni bir teknik getiriyor" dedi Ali YezdaniPrinceton Üniversitesi'nden kupratları incelemek için benzer teknikler geliştiren bir fizikçi ve diğer egzotik örnekler Davis'in grubuyla paralel olarak süperiletkenlik.
Ancak Yazdani ve diğer araştırmacılar, ne kadar uzak olursa olsun, tutkal kuvvetinin ve atlama kolaylığının başka bir nedenden dolayı aynı anda hareket etme şansının hala mevcut olduğu ve alanın klasik korelasyon eşittir nedensellik tuzağına düştüğü konusunda uyarıyorlar. Yazdani'ye göre nedensel bir ilişkiyi kanıtlamanın gerçek yolu, bazı gösterişli yeni süper iletkenler tasarlamak için süper değişimi kullanmak olacaktır.
“Bittiyse artıralım TcKritik sıcaklığa değinerek "dedi.
Superexchange yeni bir fikir değil, dolayısıyla pek çok araştırmacı bunu zaten düşünmüş durumda. nasıl güçlendirilirbelki de bakır ve oksijen kafesini daha da sıkıştırarak veya diğer element çiftleriyle deneyler yaparak. Tremblay, "Masada zaten tahminler var" dedi.
Elbette atom planlarının taslağını çizmek ve araştırmacıların istediklerini yapacak materyaller tasarlamak hızlı ya da kolay değil. Üstelik özel yapım cupratların bile halihazırda bildiğimiz cupratlardan çok daha yüksek kritik sıcaklıklara ulaşacağının garantisi yok. Süper değişimin gücü, tıpkı atomik titreşimler gibi, sert bir tavana sahip olabilir. Bazı araştırmacılar ise adayları araştırmak tamamen farklı ve potansiyel olarak daha da güçlü tutkal türleri için. Diğerleri doğaüstü baskılardan yararlanmak geleneksel atomik titreşimleri desteklemek için.
Ancak Davis'in sonucu, kupra süperiletkenlerini daha yüksek seviyelere çıkarmayı amaçlayan kimyagerlerin ve malzeme bilimcilerinin çabalarına enerji verebilir ve odaklanabilir.
Schmalian, "Malzeme tasarlayan insanların yaratıcılığı sınırsızdır" dedi. "Bir mekanizmanın doğru olduğuna ne kadar güvenirsek, buna daha fazla yatırım yapmamız da o kadar doğal olur."
