数キログラムの TNT に相当するエネルギーがコイルに流れ込み、0.003 カラットのクリスタルをボア内にこれまでに発生した最強の磁場の 1 つに浸しました。
エンジニアのジェローム・ベアード氏によると、磁石から足を踏み鳴らしたような小さなブームが発生しましたが、ありがたいことに爆発はありませんでした。彼の計算は持ちこたえました。
フランスのトゥールーズにある国立強磁場研究所 (LNCMI) の研究者は、昨年の冬に実行されたその磁気ブラストとその後の一連の同一のもので、結晶の重要な特性、材料のクラスのマットブラックセラミックを発見しました。知られている中で最も強力な超伝導体である銅酸塩と呼ばれます。本日、ジャーナル Nature で報告された調査結果 、銅酸塩の内部の仕組みについての主要な手がかりを提供し、科学者がこれらの材料が比較的高温で電気を自由に流す方法を理解するのに役立つかもしれません.
コーネル大学、スコットランドのセント・アンドリュース大学、ブルックヘブン国立研究所に勤務する実験物理学者の J.C. Séamus Davis 氏は、「技術的には驚くべきことです」と述べています。 「その紙は傑作です。」
LNCMI の科学者であるシリル・プルーストとカナダのシャーブルック大学のルイ・タイレファーが率いる実験チームは、90 テスラの磁石 (地球を覆っている磁場の 200 万倍近く強い磁場を作り出す) を使用して、一時的に磁石を剥ぎ取りました。彼らの銅酸塩サンプルの超伝導。これにより、動作が発生したと思われる基本的なフェーズの詳細が明らかになりました。
ベールが取り除かれると、科学者たちは銅酸化物の「量子臨界点」と思われる場所で挙動が急激に変化することを発見しました。これは水の凝固点を連想させます。理論家たちは、そのような量子臨界点が存在する可能性があり、それが超伝導において重要な役割を果たす可能性があると長い間推測してきた、とミネソタ大学の凝縮物質理論家であるアンドレイ・チュブコフは述べた。一つ言えることは、こう言うことです。別のことはそれを測定することです」とチュブコフは言いました.
超電導とは、電気が通過する物質に抵抗なく電気が流れ、その過程でエネルギーが失われない現象です。これは、電子 (負に帯電した電気のキャリア) が結合してペアを形成し、それらすべてが一斉に移動できるように互いの特性のバランスを取るときに発生します。これが発生する段階はデリケートで、通常、材料が最低温度まで冷却されたときにのみ発生します。しかし、ワイヤが室温で超伝導体として機能するように設計できれば、無損失送電により世界のエネルギー使用量が大幅に削減され、磁気浮上式車両や安価な浄水システムなどの多くの新技術が導入されると専門家は述べています。
超伝導を駆動する力は銅酸化物で最も強い。 IBM の研究者 Georg Bednorz と K. Alexander Müller が 1986 年に発見したように (翌年にノーベル賞を受賞した研究で)、銅酸化物は他の物質よりもはるかに高い温度で超伝導し、それらの電子が別のより強力な接着剤によって対になっていることを示唆しています。しかし、銅酸化物が超電導になるには、摂氏マイナス 100 度以下に冷却する必要があります。超伝導体の動作温度を引き上げるには、接着剤をさらに強化する必要があります。 30 年間、科学者たちは次のように問いかけてきました:銅塩に超伝導を生じさせる接着剤、より正確には、電子間の量子力学的相互作用は何ですか?
量子臨界点の検出はその疑問に明確に答えるものではありませんが、「これは状況を本当に明確にしました」と、ハーバード大学の凝縮物質理論の第一人者である Subir Sachdev は述べています。この発見は、銅酸化物中の電子対形成の接着剤に関するいくつかの提案を打ち砕いた。 「今起きていることについて、2 人の有力な候補者がいます」と Sachdev 氏は言いました。
候補の 1 つが検証されれば、多くの理論家にアピールする異国情緒を備えた、まったく新しい量子現象として教科書に載るでしょう。しかし、高温超伝導の従来の説明が真実であることが証明された場合、科学者は、効果を強化するために回す必要がある重要なハンドルをすぐに知るでしょう.その場合、室温超伝導の探求において、デイビス氏は「進むべき道は明らかだろう」と述べた。
ドームの下
プルースト、タイレファー、および彼らの共同研究者は、8 年前に銅酸塩の「相図」の中心への道を切り開きました。これは、特性が変化するにつれて、材料によって示されるさまざまな相の寄せ集めを表すマップです。
マップの 2 つの極端な端はよく理解されています。図の左側にマップされている純粋で純粋な銅酸塩結晶は絶縁体として機能しますが、多くの余分な電子または「正孔」でドープされた銅酸塩 (正に帯電した粒子のように振る舞います)、右側にマッピングされ、金属のように振る舞います。 「大きな根本的な問題は、システムが絶縁体から金属にどのように移行するかということです」と Taillefer 氏は述べています。科学者は、相図の中央でドームのように上昇する超伝導を含む、中間のドーピング レベルで発生する相の寄せ集めの中で迷子になります。
マップは手がかりを提供します:線は、材料の他の 2 つのより高い温度のフェーズを分割する、超伝導ドームの上と左に向かって傾斜しています。この線を下方に延長して温度を下げると、超伝導ドームの底部の中心点に正確に衝突します。理論家たちは、この点の性質が超伝導を理解する鍵になるのではないかと長い間考えてきました。 15 年前、Taillefer と当時、Taillefer の研究室のポスドク研究員だった Proust は、この可能性のある臨界点を調査する方法について考え始めました。問題は、この時点で絶対零度の温度で出会うはずだった高温で観察された2つの相が、超伝導が始まると消失したことでした.1つの相から別の相への遷移中に何が起こるかを調べるために、チームは、銅酸塩の電子が臨界点付近で超伝導ペアを形成するのを止める方法を見つけなければなりませんでした。
これを行うには、科学者は大きな磁石が必要でした。磁場は、各超伝導ペアの電子に反対の力を加えることで超伝導を破壊し、それらの接続を切断します。しかし、超伝導体のペアリングの接着剤が強いほど、壊れにくくなります。 「銅酸塩を使用すると、超伝導を思いとどまらせるために必要な磁場は非常に高くなります」とプルーストは言いました。
強力な磁石
磁石は、電気の津波によって発生する巨大な機械的力に耐えなければならない材料と同じくらいの強度しかありません.
トゥールーズの LNCMI にある 90 テスラの磁石は、600 個のコンデンサーのバンクを充電し、それらを一度に放電してゴミ箱サイズのコイルにすることで機能します。コイルは、ケブラーよりも強い繊維であるザイロンで強化された超強力な銅合金でできています。約 10 ミリ秒間、電流のフラッシュ フラッドにより、コイルのボアを流れる強力な磁場が生成されます。 LNCMI 磁石は、ニュー メキシコ州のロス アラモス国立研究所にある 100 テスラの磁石の力に匹敵するものではありませんが、「ロス アラモスよりも 2 倍長い非常に長いパルスを作ることができます」。より正確な測定が可能になります。ベアードは言った。
エンジニアが磁石を組み立てる際、ブリティッシュ コロンビア大学の共同研究者は、イットリウム バリウム銅酸化物と呼ばれる銅酸塩のサンプルを準備しました。彼らは、仮定された臨界点の一方の側から他方の側にまたがる、4 つの異なる濃度の正孔でサンプルをドープしました。サンプルを摂氏マイナス 223 度に冷却し、磁気パルスを吹き付けて瞬間的に超伝導を破壊すると、電気を運ぶのに関与する原子あたりの穴の数を示す材料の特性が測定されました。通常、この「キャリア密度」は、ドーピングの関数として徐々に増加します。しかし、臨界点になると、結晶内の電子が自発的に再編成されることを示す、突然の変化が予想されます。そして、それが科学者の測定結果です:臨界点の予想される位置である 19% のドーピングで、キャリア密度が急激に 6 倍に跳ね上がりました。
2014 年にこの点の存在を示す間接的な証拠を発見したデービス氏は、「ルイ [タイユファー] が存在すると言っているところに、明らかに臨界点が隠されている。その臨界点での電子構造。」
量子臨界点
水温の上昇または下降によって交差する水の凝固点とは異なり、銅塩の臨界点は「量子臨界点」、またはゼロ温度での 2 つの競合する量子力学的状態間の平衡点です。状態図の量子臨界点の左側にある量子状態により、電子が「秩序化」されるか、パターンに配置されます。右側を支配する量子効果により、電子は自由に動きます。しかし、システムが左または右のいずれかから臨界点に近づくと、2 つの状態間の競合により、システム内の注文量が変動し始めます。量子臨界点付近で超伝導を生じさせると仮定されているのは、これらの秩序のゆらぎです。問題は、それはどのような順序かということです。
過去 5 年間、研究者は電荷密度波として知られる一種の秩序を疑っていました。これは基本的に、電子の密度が高すぎる領域と密度が低い領域の波紋です。しかし、この新しい実験は、Davis のグループによる最近の発見と同様に、電荷密度の波の秩序が、量子臨界点の左側にある、より低いドーピング レベルで消滅することを示しています。現在、2 つの主要な可能性が残っています。
1980 年代後半に David Pines、Douglas Scalapino、およびその他の理論家によって提案された、より従来型のオプションは反強磁性であり、電子のスピン方向がチェッカーボード パターン (上、下、上、下など) で交互に変わるタイプの秩序です。量子臨界点近くのこの市松模様の配置では、逆向きに回転する電子が互いに引き付けられてペアになり、超伝導が生じます。いくつかの間接的な観測が反強磁性仮説を支持しています。チュブコフによれば、この秩序は量子臨界点で始まると予想されるため、新しい発見は反強磁性の説明における「必要なミッシングリンク」です。
しかし、単純な反強磁性が答えだったとしたら、物理学者は何十年も前にこの問題を解決していたでしょう。実験者は長い間、超伝導ドームの左上にある相 (量子臨界点の左側にあると推定される秩序化された相) で反強磁性秩序を検出しようとしましたが、失敗しました。トロント大学の凝縮物質実験物理学者であるスティーブン・ジュリアンは、次のように述べています。実験者がチェッカーボード パターンを探しても、それはわかりません。
しかし、反強磁性的な説明の擁護者は、本質的に積層された二次元シートである銅酸塩の結晶構造と、真の長距離反強磁性秩序は発達しないと言うマーミン・ワグナーの定理として知られる1975年の定理を指摘しています。ゼロ以外の温度での二次元材料。代わりに、チェッカーボードのセクションのように、おそらく秩序のあるパッチのみが発生し、これらは既存の実験技術では検出できません.長距離反強磁性秩序は低温でのみ始まる、と支持者は言う。問題は、反強磁性がそれが誘発する相 — 超伝導 — によって打ち消されてしまうことであり、そのためまだ観察できない.
Mermin-Wagner の定理が適切であると誰もが考えているわけではありません。 Davis は、同じ 2 次元構造を持つドープされていない銅酸塩で反強磁性秩序が検出されたことを指摘しています。臨界点近くでこれまでに見られた反強磁性秩序の欠如により、一部の研究者はこの考えを放棄し、Sachdev によって提案されたより風変わりな理論を支持するようになりました。この理論は、ノーベル賞受賞者であり、凝縮の創始者の 1 人である Philip Anderson の概念に基づいています。 1980年代に進歩した物質物理学. Sachdev は、他の材料には見られない一種の秩序を銅酸化物に仮定しています。この順序で、電子はスピンと電荷の一部を持つ複合体を形成します。 Sachdev は、彼が分別フェルミ液体または FL* 状態と名付けたこのオーダーの残骸が、高温超伝導の前駆体を形成すると主張している。
新たに発見された量子臨界点が反強磁性に関連しているのか、それとも FL* のようなもっと異常なものに関連しているのかを判断するには、再び強力な磁石が必要になります。実験者は、低温で反強磁性秩序の市松模様を探索する方法にすでに取り組んでおり、磁気パルスを使用してそこで発生する超伝導を一掃します。 「これらすべてのことが今起こるでしょう」とTaileferは言いました。 「その臨界点での[反強]磁性遷移に非常によく似ているので、それが私たちが答える必要がある質問です。」
反強磁性が銅酸塩の電子対結合接着剤であることが判明した場合、理論家はすぐに、これらの材料の接着剤が他の材料よりもはるかに強力である理由を特定することに焦点を当て、それをさらに強化することを期待しています.一方、FL* は、理論家にまったく新しいダイヤル セットを提供します。いずれにせよ、多くの人は、超伝導体の動作温度を上昇させる軌道に乗っていると楽観視しています。ジュリアンは、室温超伝導を妨げる「根本的な限界があると信じている人はいないと思います」と述べた。 「問題は、そこに到達するまでにどれくらいの時間がかかるかということです。一部の人々は、それが角を曲がったところにあると考えています。非常に長い時間がかかると考える人もいます。」
