Десятиліттями сімейство кристалів спантеличувало фізиків своєю дивовижною здатністю надпровідності — тобто перенесення електричного струму без будь-якого опору — при набагато вищих температурах, ніж інші матеріали.
Тепер експеримент триває роками безпосередньо візуалізована надпровідність в атомному масштабі в одному з цих кристалів, нарешті виявивши причину цього явища майже на загальне задоволення. Електрони, здається, штовхають один одного в потік без тертя, як це вперше було запропоновано в поважній теорії, майже такій же давній, як і сама таємниця.
«Ці докази справді гарні та прямі», — сказав Субір Сачдев, фізик із Гарвардського університету, який будує теорії кристалів, відомих як купрати, і не брав участі в експерименті.
«Я працював над цією проблемою 25 років і сподіваюся, що я її вирішив», — сказав Дж. Сімус Девіс, який керував новим експериментом в Оксфордському університеті. «Я в абсолютному захваті».
Нове вимірювання відповідає прогнозу, заснованому на теорії, яка приписує купратну надпровідність квантовому явищу, яке називається суперобміном. «Я вражений кількісною згодою», — сказав Андре-Марі Трамбле, фізик з Університету Шербрука в Канаді та лідер групи, яка зробила прогноз минулого року.
Дослідження просуває вічні амбіції галузі: взяти купратну надпровідність і зміцнити її основний механізм, щоб розробити матеріали, що змінюють світ, здатні проводити надпровідність електрики за навіть вищих температур. Надпровідність при кімнатній температурі забезпечить ідеальну ефективність повсякденної електроніки, ліній електропередач тощо, хоча мета залишається далекою.
«Якщо цей клас теорії правильний, — сказав Девіс, посилаючись на теорію суперобміну, — має бути можливо описати синтетичні матеріали з різними атомами в різних місцях», для яких критична температура вища.
Два клею
Фізики борються з надпровідністю відтоді, як її вперше спостерігали в 1911 році. Голландський вчений Хайке Камерлінг Оннес і його співробітники охолодили ртутний дріт приблизно до 4 Кельвінів (тобто 4 градуси вище абсолютного нуля) і з подивом спостерігали, як електричний опір різко падає до нуля. . Електрони спритно пробиралися крізь дріт, не виділяючи тепла, коли вони стикалися з його атомами — джерело опору. Девіс сказав, що для того, щоб зрозуміти, як це зробити, знадобиться «зусиль все життя».
Спираючись на ключові експериментальні ідеї середини 1950-х років, Джон Бардін, Леон Купер і Джон Роберт Шріффер опублікували свою теорію, яка отримала Нобелівську премію цієї звичайної форми надпровідності в 1957 році. «Теорія БКШ», як вона відома сьогодні, стверджує, що коливання, що рухаються крізь ряди атомів, «склеюють» електрони разом. Коли негативно заряджений електрон пролітає між атомами, він притягує до себе позитивно заряджені атомні ядра та створює брижі. Ця брижа втягує другий електрон. Долаючи своє сильне електричне відштовхування, два електрони утворюють «куперівську пару».
«Це справжній обман природи», — сказав Йорг Шмалян, фізик Технологічного інституту Карлсруе в Німеччині. «Ця пара Купера не повинна відбутися».
Коли електрони з’єднуються, додаткові квантові хитрощі роблять надпровідність неминучою. Зазвичай електрони не можуть перекриватися, але пари Купера дотримуються іншого правила квантової механіки; вони діють як частинки світла, будь-яка кількість яких може скупчуватися на голівці шпильки. Багато пар Купера збираються разом і зливаються в єдиний квантово-механічний стан, «надплинну рідину», яка не помічає атомів, між якими вона проходить.
Теорія БКШ також пояснила, чому ртуть і більшість інших металевих елементів стають надпровідними, коли охолоджуються близько до абсолютного нуля, але припиняють це робити вище кількох градусів Кельвіна. Атомні брижі створюють найслабкіший із клеїв. Збільште тепло, і воно похитує атоми та вимиває коливання решітки.
Потім у 1986 році дослідники IBM Георг Беднорц та Алекс Мюллер натрапили на сильніший електронний клей у купратах: кристали, що складаються з листів міді та кисню, вкраплених між шарами інших елементів. Після них спостерігав купрат надпровідні при 30 кельвінах, незабаром дослідники знайшли інші, які є надпровідними вище 100, а потім вище 130 кельвінів.
Цей прорив поклав початок широкомасштабним спробам зрозуміти більш міцний клей, відповідальний за цю «високотемпературну» надпровідність. Можливо, електрони збираються разом, створюючи неоднорідні хвилясті концентрації заряду. Або, можливо, вони взаємодіяли через спін, внутрішню властивість електрона, яка орієнтує його в певному напрямку, як магніт квантового розміру.
Покійний Філіп Андерсон, американський лауреат Нобелівської премії та всебічна легенда фізики конденсованого стану, висунув теорія лише через кілька місяців після відкриття високотемпературної надпровідності. В основі клею, стверджував він, лежить описане раніше квантове явище, яке називається суперобміном — сила, що виникає через здатність електронів стрибати. Коли електрони можуть стрибати між кількома місцями, їх положення в будь-який момент стає невизначеним, тоді як їх імпульс стає точно визначеним. Гостріший імпульс може бути нижчим імпульсом і, отже, станом з нижчою енергією, якого частинки природно шукають.
Результатом є те, що електрони шукають ситуацій, у яких вони можуть стрибнути. Наприклад, електрон вважає за краще вказувати вниз, коли його сусід вказує вгору, оскільки ця відмінність дозволяє двом електронам стрибати між одними атомами. Таким чином, суперобмін встановлює регулярну схему обертання електронів вгору-вниз-вгору-вниз у деяких матеріалах. Це також штовхає електрони залишатися на певній відстані один від одного. (Занадто далеко, і вони не можуть стрибнути.) Андерсон вважав, що це ефективне притягання може сформувати міцні пари Купера.
Експерименталісти довго намагалися перевірити такі теорії, як теорія Андерсона, оскільки властивості матеріалу, які вони могли виміряти, як-от відбивна здатність чи опір, пропонували лише грубі підсумки колективної поведінки трильйонів електронів, а не пар.
«Жодна з традиційних методик фізики конденсованого середовища ніколи не була розроблена для вирішення подібної проблеми», — сказав Девіс.
Супер-Експеримент
Девіс, ірландський фізик з лабораторіями в Оксфорді, Корнельському університеті, Університетському коледжі Корка та Міжнародній дослідницькій школі Макса Планка з хімії та фізики квантових матеріалів у Дрездені, поступово розробив інструменти для ретельного вивчення купратів на атомному рівні. Попередні експерименти оцінювали силу надпровідності матеріалу, охолоджуючи його до досягнення критичної температури, з якої починається надпровідність, причому більш висока температура вказує на більш міцний клей. Але протягом останнього десятиліття група Девіса вдосконалила спосіб проштовхувати клей навколо окремих атомів.
Вони модифікували усталену техніку під назвою скануюча тунельна мікроскопія, яка перетягує голку по поверхні, вимірюючи струм електронів, що стрибають між ними. Замінивши звичайний металевий кінчик голки на надпровідний і провівши його по купрату, вони виміряли струм електронних пар, а не окремих. Це дозволило їм відобразити щільність куперівських пар, що оточують кожен атом — прямий показник надпровідності. Вони опублікували перше зображення рої Купер пар in природа В 2016.
Того ж року був проведений експеримент китайських фізиків головний доказ підтверджуючи теорію суперобміну Андерсона: вони показали, що чим легше електронам перескакувати між атомами міді та кисню в даному купраті, тим вища критична температура купрату (і, отже, міцніший його клей). Девіс і його колеги намагалися поєднати два підходи в одному кристалі купрату, щоб більш переконливо виявити природу клею.
За його словами, момент «ага» стався на зустрічі групи щодо Zoom у 2020 році. Дослідники зрозуміли, що купрат під назвою вісмут, стронцій, кальцій, оксид міді (BSCCO, або скорочено «біско») має особливу особливість, завдяки якій експеримент їх мрії став можливим. У BSCCO шари атомів міді та кисню стискаються в хвилеподібний візерунок оточуючими шарами атомів. Це змінює відстані між певними атомами, що, у свою чергу, впливає на енергію, необхідну для стрибка. Ця варіація викликає головний біль у теоретиків, які люблять охайні свої решітки, але вона дала експериментаторам саме те, що їм було потрібно: діапазон стрибкових енергій в одному зразку.
Вони використовували традиційний скануючий мікроскоп з металевим наконечником, щоб приклеїти електрони до одних атомів і відібрати їх від інших, відображаючи стрибкові енергії через купрат. Потім вони замінили купратний наконечник, щоб виміряти щільність куперівських пар навколо кожного атома.
Дві карти вишикувались. Там, де електрони намагалися стрибнути, надпровідність була слабкою. Там, де стрибки були легкими, надпровідність була сильною. Співвідношення між енергією стрибка та щільністю пари Купера дуже відповідало складному чисельний прогноз з 2021 року Трамбле та його колеги, які стверджували, що цей зв’язок має випливати з теорії Андерсона.
Superexchange Super Glue
Висновок Девіса про те, що енергія стрибків пов’язана з силою надпровідності, опублікований цього місяця в Праці Національної академії наук, чітко означає, що суперобмін є суперклеєм, який забезпечує високотемпературну надпровідність.
«Це гарна робота, тому що вона привносить нову техніку, щоб ще більше показати, що ця ідея має ноги», — сказав Алі Яздані, фізик з Прінстонського університету, який розробив подібні методи для вивчення купратів і інші екзотичні екземпляри надпровідності паралельно з групою Девіса.
Але Яздані та інші дослідники попереджають, що все ще існує ймовірність, хоч і віддалена, що міцність склеювання та легкість стрибків рухаються разом з якоїсь іншої причини, і що поле потрапляє в класичну пастку кореляції дорівнює причинності. Для Яздані реальним способом довести причинно-наслідковий зв’язок буде використання суперобміну для створення нових яскравих надпровідників.
«Якщо закінчено, давайте збільшимо Tc”, – сказав він, маючи на увазі критичну температуру.
Суперобмін — ідея не нова, тому багато дослідників вже думали про неї як його зміцнити, можливо, шляхом подальшого здавлювання решітки міді та кисню або експериментування з іншими парами елементів. «Прогнози вже є на столі», — сказав Трамбле.
Звичайно, накреслити атомні креслення та розробити матеріали, які робитимуть те, що хочуть дослідники, непросто чи швидко. Більше того, немає жодної гарантії, що навіть виготовлені на замовлення купрати досягнуть критичних температур, набагато вищих, ніж у вже відомих нам купратів. Сила суперобміну може мати жорстку стелю, як, здається, атомні коливання. Деякі дослідники розслідування кандидатів для зовсім інших і потенційно ще міцніших типів клею. інші використовувати неземний тиск щоб підтримати традиційні атомні вібрації.
Але результат Девіса міг би активізувати та зосередити зусилля хіміків і матеріалознавців, які прагнуть підняти купратні надпровідники на більшу висоту.
«Творчість людей, які розробляють матеріали, безмежна», — сказав Шмалян. «Чим більше ми впевнені в тому, що механізм правильний, тим більш природним є подальше інвестування в нього».
