何十年もの間、結晶のファミリーは、他の材料よりもはるかに高い温度で超伝導 (つまり、抵抗なしで電流を運ぶ) という不可解な能力で物理学者を困惑させてきました。
現在、何年にもわたる実験により、これらの結晶の 1 つで超伝導が原子スケールで直接視覚化され、最終的に現象の原因が明らかになり、ほぼすべての人が満足しています。電子は、ミステリー自体とほぼ同じくらい古い由緒ある理論によって最初に示唆された方法で、摩擦のない流れにお互いを微調整するように見えます.
「この証拠は実に美しく直接的です」とハーバード大学の物理学者で銅酸化物として知られる結晶の理論を構築し、実験には関与していない Subir Sachdev は述べた。
「私はこの問題に 25 年間取り組んできましたが、解決できたことを願っています」と、オックスフォード大学で新しい実験を率いた J.C. シーマス デイビスは述べています。 「本当にわくわくしています。」
新しい測定値は、銅酸化物超伝導を超交換と呼ばれる量子現象に帰する理論に基づく予測と一致しています。カナダのシャーブルック大学の物理学者であり、昨年予測を行ったグループのリーダーである André-Marie Tremblay は、次のように述べています。
この研究は、この分野の長年の野心を前進させます。それは、さらに高い温度で電気を超伝導できる世界を変える材料を設計するために、銅酸塩の超伝導性を利用し、その根底にあるメカニズムを強化することです。室温超伝導は、日常の電子機器、電力線などに完全な効率をもたらすでしょうが、目標はまだ遠いです.
「このクラスの理論が正しければ」とデイビスは言い、超交換理論に言及して、「異なる原子が異なる位置にある合成物質を記述できるはずである」と述べ、その臨界温度はより高い.
2 つの接着剤
1911 年に初めて超伝導が観測されて以来、物理学者は超伝導に取り組んできました。オランダの科学者ハイケ・カマーリング・オネスと共同研究者は、水銀線を約 4 ケルビン (つまり、絶対零度より 4 度高い温度) まで冷却し、電気抵抗が急降下してゼロになるのを驚きとともに観察しました。 .電子は、抵抗の起源である原子と衝突したときに熱を発生させることなく、ワイヤを巧みに通り抜けました。その方法を理解するには、「一生の努力」が必要になるだろうとデイビス氏は言いました。
1950 年代半ばからの重要な実験的洞察に基づいて、ジョン バーディーン、レオン クーパー、ジョン ロバート シュリーファーは、1957 年にこの従来型の超伝導に関するノーベル賞を受賞した理論を発表しました。原子の列を介して電子を「接着」します。負に帯電した電子が原子間を飛行すると、正に帯電した原子核が引き寄せられ、波紋が発生します。その波紋が 2 番目の電子を引き込みます。 2 つの電子は、激しい電気的反発を克服して「クーパー対」を形成します。
ドイツのカールスルーエ工科大学の物理学者である Jörg Schmalian は、次のように述べています。 「このクーパー ペアは実現しないはずです。」
電子が結合すると、さらなる量子トリックにより超伝導が不可避になります。通常、電子は重なり合うことはできませんが、クーパー対は別の量子力学的規則に従います。それらは光の粒子のように機能し、ピンの頭にいくつでも積み重なることができます。多くのクーパー対が集まり、結合して単一の量子力学的状態である「超流動」になり、その間を通過する原子を意識しなくなります。
BCS 理論は、水銀や他のほとんどの金属元素が絶対零度近くまで冷却されると超伝導するが、数ケルビンを超えると超伝導を停止する理由も説明しました。原子の波紋は、最も弱い接着剤になります。熱を上げると、原子が振動し、格子振動が洗い流されます。
その後、1986 年に、IBM の研究者 Georg Bednorz と Alex Müller は、銅酸化物のより強力な電子接着剤に遭遇しました。これは、他の元素の層の間に散在する銅と酸素のシートで構成される結晶です。銅酸化物が 30 ケルビンで超伝導するのを観察した後、研究者はすぐに 100 ケルビン以上、次に 130 ケルビン以上で超伝導する他のものを発見しました。
このブレークスルーにより、この「高温」超伝導の原因となるより丈夫な接着剤を理解するための広範な取り組みが開始されました。おそらく、電子が集まって斑点状のさざなみの電荷濃度を作り出したのでしょう。あるいは、量子サイズの磁石のように、電子を特定の方向に向ける電子固有の特性であるスピンを介して相互作用したのかもしれません。
アメリカのノーベル賞受賞者であり、凝縮物質物理学の万能な伝説である故フィリップ・アンダーソンは、高温超伝導が発見されてからわずか数か月後に理論を発表しました。彼は、接着剤の中心には、超交換と呼ばれる以前に説明された量子現象が存在すると主張しました。これは、電子の飛び跳ねる能力から生じる力です。電子が複数の場所の間を飛び回ることができる場合、その瞬間の位置は不確かになりますが、運動量は正確に定義されます。より鋭い運動量は、より低い運動量になる可能性があり、したがって、粒子が自然に求める低エネルギー状態になる可能性があります。
要するに、電子はホップできる状況を探すということです。たとえば、隣の電子が上を指している場合、電子は下を指すことを好みます。これは、この違いによって 2 つの電子が同じ原子間を移動できるためです。このように、超交換は、いくつかの材料で電子スピンの規則的な上下パターンを確立します。また、電子が一定の距離を保てるように微調整します。 (遠すぎて飛び跳ねることができません。) アンダーソンが強力なクーパー ペアを形成できると信じていたのは、この効果的な魅力です。
実験家たちは、アンダーソンのような理論をテストするのに長い間苦労しました。反射率や抵抗など、彼らが測定できる材料特性は、ペアではなく、数兆個の電子の集団的挙動の大まかな要約しか提供しなかったからです。
「凝縮物質物理学の伝統的な手法は、このような問題を解決するために設計されたものではありませんでした」と Davis 氏は述べています。
超実験
オックスフォード大学、コーネル大学、ユニバーシティ カレッジ コーク、ドレスデンの国際マックス プランク化学物理学研究所に研究室を持つアイルランドの物理学者である Davis は、原子レベルで銅酸塩を精査するためのツールを徐々に開発してきました。以前の実験では、超伝導が始まる臨界温度に達するまで材料を冷却することで、材料の超伝導の強度を測定していました。しかし、過去 10 年間で、Davis のグループは個々の原子の周りに接着剤を突き刺す方法を改良してきました。
彼らは、走査型トンネル顕微鏡法と呼ばれる確立された技術を修正しました。これは、表面上で針を引きずり、2 つの間で跳躍する電子の流れを測定します。針の通常の金属チップを超伝導チップに交換し、それを銅酸化物上で掃引することにより、個々ではなく電子対の電流を測定しました。これにより、各原子を取り囲むクーパー対の密度をマッピングできるようになりました。これは、超伝導の直接的な尺度です。彼らは、Nature のクーパーペアの群れの最初の画像を公開しました 2016 年。
その同じ年、中国の物理学者による実験は、アンダーソンの超交換理論を支持する主要な証拠を提供しました:彼らは、電子が特定の銅酸塩の銅原子と酸素原子の間を飛び回るのが容易であるほど、銅酸塩の臨界温度が高くなることを示しました(したがって、接着剤が強いほど）。 Davis と彼の同僚は、接着剤の性質をより決定的に明らかにするために、単一の銅酸化物結晶で 2 つのアプローチを組み合わせようとしました。
「あはは」の瞬間は、2020年にズームを介したグループ会議で発生したと彼は言いました.研究者たちは、ビスマスストロンチウムカルシウム銅酸化物（BSCCO、または略して「ビスコ」）と呼ばれる銅酸塩が、彼らの夢の実験を可能にする独特の特徴を持っていることに気付きました. BSCCO では、銅原子と酸素原子の層が、周囲の原子シートによって波状のパターンに押しつぶされます。これにより、特定の原子間の距離が変化し、ホップに必要なエネルギーに影響します。この変動は、格子がきちんと整頓されていることを好む理論家にとって頭痛の種となりますが、実験者がまさに必要としていたもの、つまり 1 つのサンプル内のホッピング エネルギーの範囲を提供しました。
彼らは、金属チップを備えた従来の走査型顕微鏡を使用して、電子をいくつかの原子に付着させたり、他の原子から引き抜いたりして、銅酸塩全体のホッピングエネルギーをマッピングしました。次に、銅酸化物探針を交換して、各原子の周りのクーパー対の密度を測定しました。
2つのマップが並んでいます。電子が飛び跳ねるのに苦労している場所では、超伝導は弱かった。ホッピングが簡単なところは、超伝導が強かった。ホッピング エネルギーとクーパー対密度の関係は、Tremblay と同僚による 2021 年からの高度な数値予測とほぼ一致し、この関係はアンダーソンの理論に従うべきであると主張しました。
スーパーエクスチェンジ スーパーグルー
ホッピング エネルギーが超伝導強度と関連しているという Davis の発見は、今月 全米科学アカデミー紀要 に掲載されました。 、超交換が高温超伝導を可能にするスーパー接着剤であることを強く示唆しています.
プリンストン大学の物理学者であり、デイビス氏と並行して銅酸化物やその他のエキゾチックな超伝導の例を研究する同様の技術を開発したアリ ヤズダニは、次のように述べています。 ' グループ。
しかしヤズダニと他の研究者は、接着剤の強さと跳びやすさが別の理由で足並みをそろえている可能性はまだあると警告している。ヤズダニにとって、因果関係を証明する本当の方法は、超交換を利用して派手な新しい超伝導体を設計することです.
「それが終わったら、Tcを増やしましょう 」と彼は臨界温度に言及して言いました.
超交換は新しいアイデアではないため、多くの研究者が銅と酸素の格子をさらに押しつぶすか、他の元素のペアで実験することによって、それを強化する方法をすでに考えています。 「テーブルにはすでに予測があります」と Tremblay 氏は言いました。
もちろん、原子の設計図をスケッチし、研究者が望むように材料を設計することは、迅速でも簡単でもありません。さらに、特注の銅酸化物でさえ、既知の銅酸化物よりもはるかに高い臨界温度に達するという保証はありません。超交換の強さは、原子の振動がそうであるように、厳しい天井を持つ可能性があります。一部の研究者は、まったく異なる、潜在的にさらに強力な種類の接着剤の候補を調査しています.他の人たちは、従来の原子振動を強化するために、信じられないほどの圧力を利用しています.
しかし、デイビスの結果は、銅酸化物超伝導体をより高いレベルに引き上げることを目指す化学者と材料科学者の努力を活性化し、集中させる可能性があります。
「素材をデザインする人々の創造性は無限です」と Schmalian 氏は言います。 「メカニズムが正しいという確信が持てるほど、このメカニズムにさらに投資するのは自然なことです。」
