Trong nhiều thập kỷ, một họ tinh thể đã khiến các nhà vật lý bối rối với khả năng siêu dẫn khó hiểu của nó - nghĩa là mang dòng điện mà không có bất kỳ điện trở nào - ở nhiệt độ ấm hơn nhiều so với các vật liệu khác.
Bây giờ, một năm thử nghiệm trong quá trình thực hiện đã hiện tượng siêu dẫn trực quan trên quy mô nguyên tử ở một trong những tinh thể này, cuối cùng tiết lộ nguyên nhân của hiện tượng trước sự hài lòng của hầu hết mọi người. Các electron dường như đẩy nhau vào một dòng chảy không ma sát theo cách lần đầu tiên được đề xuất bởi một lý thuyết đáng kính gần như lâu đời như chính điều bí ẩn.
“Bằng chứng này thực sự đẹp và trực tiếp,” nói Subir Sachdev, một nhà vật lý tại Đại học Harvard, người xây dựng các lý thuyết về tinh thể, được gọi là cuprate, và không tham gia vào thí nghiệm.
“Tôi đã nghiên cứu vấn đề này trong 25 năm và tôi hy vọng mình đã giải quyết được nó,” ông nói JC Séamus Davis, người dẫn đầu thí nghiệm mới tại Đại học Oxford. “Tôi hoàn toàn vui mừng.”
Phép đo mới phù hợp với dự đoán dựa trên lý thuyết, vốn quy tính siêu dẫn cuprate cho một hiện tượng lượng tử gọi là siêu trao đổi. “Tôi ngạc nhiên bởi thỏa thuận định lượng,” nói André-Marie run rẩy, một nhà vật lý tại Đại học Sherbrooke ở Canada và là trưởng nhóm đưa ra dự đoán vào năm ngoái.
Nghiên cứu thúc đẩy tham vọng lâu năm của lĩnh vực này: sử dụng tính siêu dẫn cuprate và củng cố cơ chế cơ bản của nó, nhằm thiết kế các vật liệu thay đổi thế giới có khả năng siêu dẫn điện ở nhiệt độ cao hơn nữa. Tính siêu dẫn ở nhiệt độ phòng sẽ mang lại hiệu quả hoàn hảo cho các thiết bị điện tử hàng ngày, đường dây điện và hơn thế nữa, mặc dù mục tiêu vẫn còn xa vời.
“Nếu loại lý thuyết này là đúng,” Davis nói, đề cập đến lý thuyết siêu trao đổi, “có thể mô tả các vật liệu tổng hợp với các nguyên tử khác nhau ở các vị trí khác nhau” mà ở đó nhiệt độ tới hạn cao hơn.
hai keo
Các nhà vật lý đã vật lộn với hiện tượng siêu dẫn kể từ khi nó được quan sát lần đầu tiên vào năm 1911. Nhà khoa học người Hà Lan Heike Kamerlingh Onnes và các cộng sự đã làm lạnh một dây thủy ngân đến khoảng 4 kelvin (tức là 4 độ trên độ không tuyệt đối) và kinh ngạc quan sát khi điện trở giảm mạnh về không . Các electron khéo léo luồn qua dây dẫn mà không tạo ra nhiệt khi chúng va chạm với các nguyên tử của nó — nguồn gốc của điện trở. Davis nói, sẽ mất “cả đời nỗ lực” để tìm ra cách thực hiện.
Dựa trên những hiểu biết thực nghiệm quan trọng từ giữa những năm 1950, John Bardeen, Leon Cooper và John Robert Schrieffer công bố lý thuyết đoạt giải Nobel của họ của dạng siêu dẫn thông thường này vào năm 1957. “Thuyết BCS”, như nó được biết đến ngày nay, cho rằng các dao động di chuyển qua các hàng nguyên tử sẽ “dính” các electron lại với nhau. Khi một electron mang điện tích âm bay giữa các nguyên tử, nó sẽ hút các hạt nhân nguyên tử mang điện tích dương về phía nó và tạo ra gợn sóng. Làn sóng đó kéo theo một electron thứ hai. Vượt qua lực đẩy điện dữ dội của chúng, hai electron tạo thành một “cặp Cooper”.
“Đó đúng là trò bịp bợm của tự nhiên,” nói Jörg Schmalian, một nhà vật lý tại Viện Công nghệ Karlsruhe ở Đức. “Cặp Cooper này lẽ ra không nên xảy ra.”
Khi các electron kết hợp với nhau, thủ thuật lượng tử hơn nữa làm cho hiện tượng siêu dẫn không thể tránh khỏi. Thông thường, các electron không thể chồng lên nhau, nhưng các cặp Cooper tuân theo một quy tắc cơ học lượng tử khác; chúng hoạt động giống như các hạt ánh sáng, bất kỳ số lượng nào cũng có thể dồn lên đầu một chiếc ghim. Nhiều cặp Cooper kết hợp với nhau và hợp nhất thành một trạng thái cơ học lượng tử duy nhất, một “chất siêu lỏng”, trở nên không biết gì về các nguyên tử mà nó đi qua.
Lý thuyết BCS cũng giải thích tại sao thủy ngân và hầu hết các nguyên tố kim loại khác siêu dẫn khi được làm lạnh gần bằng độ không tuyệt đối nhưng dừng lại ở trên một vài kelvin. Những gợn sóng nguyên tử tạo nên chất keo yếu nhất. Tăng nhiệt lên, nó sẽ lắc lư các nguyên tử và loại bỏ các rung động mạng tinh thể.
Sau đó vào năm 1986, các nhà nghiên cứu của IBM là Georg Bednorz và Alex Müller tình cờ phát hiện ra một loại keo điện tử mạnh hơn trong cuprate: các tinh thể bao gồm các tấm đồng và oxy nằm xen kẽ giữa các lớp nguyên tố khác. Sau khi họ quan sát thấy một cuprate siêu dẫn ở 30 kelvins, các nhà nghiên cứu đã sớm tìm thấy những thứ khác siêu dẫn ở trên 100, và sau đó ở trên 130 kelvins.
Bước đột phá này đã khởi động một nỗ lực rộng rãi nhằm tìm hiểu loại keo cứng hơn chịu trách nhiệm cho tính siêu dẫn “nhiệt độ cao” này. Có lẽ các electron chụm lại với nhau để tạo ra các vùng điện tích gợn sóng loang lổ. Hoặc có thể chúng tương tác thông qua spin, một thuộc tính nội tại của electron định hướng nó theo một hướng cụ thể, giống như một nam châm kích thước lượng tử.
Philip Anderson quá cố, người Mỹ đoạt giải Nobel và là huyền thoại toàn diện trong vật lý vật chất ngưng tụ, đưa ra một lý thuyết chỉ vài tháng sau khi hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ cao được phát hiện. Ông lập luận rằng cốt lõi của chất keo nằm ở một hiện tượng lượng tử đã được mô tả trước đây gọi là siêu trao đổi — một lực phát sinh từ khả năng nhảy của các electron. Khi các electron có thể nhảy giữa nhiều vị trí, vị trí của chúng tại bất kỳ thời điểm nào trở nên không chắc chắn, trong khi động lượng của chúng được xác định chính xác. Động lượng sắc nét hơn có thể là động lượng thấp hơn, và do đó là trạng thái năng lượng thấp hơn, mà các hạt tìm kiếm một cách tự nhiên.
Kết quả cuối cùng là các electron tìm kiếm những tình huống mà chúng có thể nhảy. Ví dụ, một electron thích hướng xuống khi hàng xóm của nó hướng lên, vì sự khác biệt này cho phép hai electron nhảy giữa các nguyên tử giống nhau. Theo cách này, siêu trao đổi thiết lập một mô hình spin electron lên xuống đều đặn trong một số vật liệu. Nó cũng đẩy các electron để cách nhau một khoảng nhất định. (Quá xa, và họ không thể nhảy.) Chính sức hút hiệu quả này mà Anderson tin rằng có thể tạo thành các cặp Cooper mạnh mẽ.
Các nhà thực nghiệm từ lâu đã phải vật lộn để kiểm tra các lý thuyết như của Anderson, vì các tính chất vật chất mà họ có thể đo lường, như hệ số phản xạ hoặc điện trở, chỉ đưa ra những tóm tắt thô sơ về hành vi tập thể của hàng nghìn tỷ electron, chứ không phải các cặp.
Davis nói: “Không một kỹ thuật truyền thống nào của vật lý vật chất ngưng tụ từng được thiết kế để giải quyết một vấn đề như thế này.
siêu thí nghiệm
Davis, một nhà vật lý người Ireland với các phòng thí nghiệm tại Oxford, Đại học Cornell, Đại học Cao đẳng Cork và Trường Nghiên cứu Hóa học và Vật lý Vật liệu Lượng tử Max Planck Quốc tế ở Dresden, đã từng bước phát triển các công cụ để xem xét kỹ lưỡng các cuprate ở cấp độ nguyên tử. Các thí nghiệm trước đây đo cường độ tính siêu dẫn của một vật liệu bằng cách làm lạnh nó cho đến khi nó đạt đến nhiệt độ tới hạn tại đó tính siêu dẫn bắt đầu — với nhiệt độ ấm hơn chứng tỏ keo mạnh hơn. Nhưng trong thập kỷ qua, nhóm của Davis đã cải tiến một cách để tạo ra chất keo xung quanh các nguyên tử riêng lẻ.
Họ đã sửa đổi một kỹ thuật đã được thiết lập gọi là kính hiển vi quét đường hầm, kỹ thuật này kéo một cây kim xuyên qua một bề mặt, đo dòng điện tử nhảy giữa hai bên. Bằng cách tráo đổi đầu kim loại bình thường của kim lấy một đầu siêu dẫn và quét nó qua một cuprate, họ đã đo được dòng điện gồm các cặp electron chứ không phải từng cá nhân. Điều này cho phép họ lập bản đồ mật độ của các cặp Cooper bao quanh mỗi nguyên tử — một thước đo trực tiếp của tính siêu dẫn. Họ đã công bố hình ảnh đầu tiên của bầy cặp Cooper in Thiên nhiên 2016.
Cùng năm đó, một thí nghiệm của các nhà vật lý Trung Quốc đã cung cấp một bằng chứng quan trọng ủng hộ lý thuyết siêu trao đổi của Anderson: Họ đã chỉ ra rằng các electron càng dễ nhảy giữa các nguyên tử đồng và oxy trong một cuprate nhất định thì nhiệt độ tới hạn của cuprate càng cao (và do đó chất keo của nó càng mạnh). Davis và các đồng nghiệp của ông đã tìm cách kết hợp hai phương pháp trong một tinh thể cuprate duy nhất để tiết lộ bản chất của keo một cách thuyết phục hơn.
Anh ấy nói rằng khoảnh khắc “aha” đến trong một cuộc họp nhóm qua Zoom vào năm 2020. Các nhà nghiên cứu nhận ra rằng một loại cuprate gọi là bismuth stronti canxi đồng oxit (BSCCO, hay gọi tắt là “bisko”) có một tính năng đặc biệt khiến thí nghiệm mơ ước của họ có thể thực hiện được. Trong BSCCO, các lớp nguyên tử đồng và oxy bị các lớp nguyên tử xung quanh ép thành một mô hình gợn sóng. Điều này thay đổi khoảng cách giữa các nguyên tử nhất định, do đó ảnh hưởng đến năng lượng cần thiết để nhảy. Sự biến thiên làm đau đầu các nhà lý thuyết, những người thích mạng tinh thể của họ gọn gàng, nhưng nó mang lại cho các nhà thực nghiệm chính xác thứ họ cần: một dải năng lượng nhảy trong một mẫu.
Họ đã sử dụng kính hiển vi quét truyền thống có đầu kim loại để dán các electron vào một số nguyên tử và tách chúng ra khỏi các nguyên tử khác, ánh xạ các năng lượng nhảy qua cuprate. Sau đó, họ tráo đổi một đầu cuprate để đo mật độ của các cặp Cooper xung quanh mỗi nguyên tử.
Hai bản đồ xếp hàng. Khi các electron vật lộn để nhảy, tính siêu dẫn yếu. Ở đâu nhảy dễ dàng, tính siêu dẫn rất mạnh. Mối quan hệ giữa năng lượng nhảy và mật độ cặp Cooper phù hợp chặt chẽ với một phức tạp dự đoán số từ năm 2021 bởi Tremblay và các đồng nghiệp, lập luận rằng mối quan hệ này nên tuân theo lý thuyết của Anderson.
Siêu keo siêu trao đổi
Phát hiện của Davis rằng năng lượng nhảy có liên quan đến cường độ siêu dẫn, được công bố trong tháng này trên tạp chí Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, ngụ ý mạnh mẽ rằng siêu trao đổi là chất keo siêu dính cho phép tính siêu dẫn ở nhiệt độ cao.
“Đó là một tác phẩm hay vì nó mang đến một kỹ thuật mới để chứng tỏ thêm rằng ý tưởng này có cơ sở,” anh nói Ali Yazdani, một nhà vật lý tại Đại học Princeton, người đã phát triển các kỹ thuật tương tự để nghiên cứu cuprate và trường hợp kỳ lạ khác của tính siêu dẫn song song với nhóm của Davis.
Nhưng Yazdani và các nhà nghiên cứu khác cảnh báo rằng vẫn có khả năng, dù xa vời đến đâu, rằng sức mạnh keo dán và khả năng dễ nhảy sẽ thay đổi theo từng bước vì một số lý do khác, và lĩnh vực này đang rơi vào cái bẫy tương quan-bình đẳng-nhân quả cổ điển. Đối với Yazdani, cách thực sự để chứng minh mối quan hệ nhân quả sẽ là khai thác siêu trao đổi để chế tạo một số chất siêu dẫn mới hào nhoáng.
“Nếu nó đã kết thúc, chúng ta hãy tăng Tc,” ông nói, đề cập đến nhiệt độ tới hạn.
Superexchange không phải là một ý tưởng mới, vì vậy rất nhiều nhà nghiên cứu đã nghĩ đến làm thế nào để củng cố nó, có lẽ bằng cách nén thêm mạng đồng và oxy hoặc thử nghiệm với các cặp nguyên tố khác. “Đã có những dự đoán trên bàn,” Tremblay nói.
Tất nhiên, việc phác thảo các bản thiết kế nguyên tử và thiết kế các vật liệu làm những gì các nhà nghiên cứu muốn không phải là nhanh chóng và dễ dàng. Hơn nữa, không có gì đảm bảo rằng ngay cả những chiếc cuprate đặt làm riêng cũng sẽ đạt được nhiệt độ tới hạn cao hơn nhiều so với nhiệt độ của những chiếc cuprate mà chúng ta đã biết. Sức mạnh của siêu trao đổi có thể có giới hạn cứng, giống như các rung động nguyên tử dường như vậy. Một số nhà nghiên cứu đang điều tra ứng viên cho các loại keo hoàn toàn khác và thậm chí có khả năng mạnh hơn. Người khác tận dụng áp lực phi thường để củng cố các rung động nguyên tử truyền thống.
Nhưng kết quả của Davis có thể tiếp thêm năng lượng và tập trung nỗ lực của các nhà hóa học và nhà khoa học vật liệu, những người có mục tiêu nâng chất siêu dẫn cuprate lên tầm cao hơn.
Schmalian nói: “Sự sáng tạo của những người thiết kế vật liệu là vô hạn. “Chúng ta càng tự tin rằng một cơ chế là đúng, thì việc đầu tư thêm vào cơ chế này càng trở nên tự nhiên.”
