高温超伝導体の微視的構造は、事実上無限の技術的可能性を利用しようとしている科学者を長い間困惑させてきました。研究者たちはついに、あるクラスの超伝導体の不可解な構造を解読し、超伝導体が冷却されたときに完全な効率で電気を輸送する方法と、科学者が動作温度を日常生活の気候に近づける方法についての理論の基礎を提供しました.
この目標が実現すれば、エネルギーを失うことのない送電網や安価な浄水システムから磁気浮上式の乗り物まで、一連の幻想的な技術が商業的に実現可能になる可能性があります。科学者たちは、室温超電導が 1960 年の発明であるレーザーと同等の影響を与えると考えています。レーザーは現在、推定 7.5 兆ドルの経済活動において重要な役割を果たしています。
「レーザーが電球よりはるかに強力であるのと同じように、室温超伝導は、電気の輸送方法を完全に変え、電気の新しい使用方法を可能にするでしょう」ケベック州シャーブルック大学
1986 年に、超冷却された先行物質よりもはるかに高温の条件下で超伝導する物質が発見され、IBM の研究者であるゲオルク ベドノルツと K. アレックス ミュラーはすぐにノーベル物理学賞を受賞しました。しかし、28 年経った今でも、これらの「高温」超伝導体は、室温より 100 ℃ 以上低いままです。材料の複雑さは、これまでのところ、動作温度をダイヤルアップするという夢を挫折させてきました.研究者たちは、新しい発見が彼らを正しい軌道に確実に乗せていると言っています.
「病気を治したいなら、まず微生物が存在することを発見しなければなりません。これは、どの微生物が存在するかを発見するようなものです」と、コーネル大学とセント アンドリュース大学の物理学教授であり、ブルックヘブン国立研究所のエネルギー省創発超伝導センターの所長である J. C. Seamus Davis 氏は述べています。
この場合の「微生物」は、電荷密度波と呼ばれる超伝導体内部の電子の波紋です。独立した研究者グループによる 2 つの新しい論文で報告された波のきめの細かい構造は、波が超伝導と同じ力によって駆動される可能性があることを示唆しています。 Davis と彼の同僚は、4 月にオンラインで投稿された研究で波を直接視覚化し、トロント大学のポスドク研究員である Riccardo Comin が率いるチームによって 2 月に報告された間接的な証拠を裏付けています。
「これは美しい論文です」と、イリノイ大学シカゴ校の物理学教授である Dirk Morr 氏は、Davis 氏と彼の同僚の研究について語っています。 「この結果は本当に信頼でき、そこから理論を構築できます。」
ハーバード大学の物理学教授であり、デイビスの研究の考案を支援したスビル・サクデフは、昨年の論文で電荷密度波の形を正しく予測し、波と高温超伝導の両方の背後にある可能性のあるメカニズムを詳述しました。さらなるテストが必要ですが、Sachdev の理論は多くの専門家から支持を得ており、材料の重要な特徴を簡潔に捉えていると述べています。
まとめると、さまざまな発見により、高温超伝導の背後にある物理学の包括的な画像がついに構築され始めています。ブリティッシュ コロンビア大学の物理学教授で、電荷密度波に関する最近の 2 つの研究を率いた Andrea Damascelli 氏は、次のように述べています。 「何十年にもわたって行われてきた多くの異なる観察は、互いに意味をなしていませんでしたが、今では意味があります。」
コミン氏は、ここ数か月の進歩率は「私たちにとってほとんど圧倒的です」と述べています。より優れた実験ツールを自由に使えるようになり、彼と他の研究者は、競合他社による魅力的な論文が机の上に積み上げられているように、興味深い新しい結果を次々と発表することを急いでいると説明しました.
「ジェットコースターに乗っていました」とデイビスは言いました。 「何週間も 1 日 24 時間のようでした。」
敵の顔
高温超伝導は、量子力学の奇跡のように思えます。それが理解できれば、大きな効果を発揮することができます.
この特性は、主に銅酸塩、より複雑な原子層によって分離された銅と酸素の 2 次元シートで構成される脆いセラミック材料によって示されます。銅酸塩が特定の温度以下に冷却されると、銅-酸素シート内の電子が突然相互の反発に打ち勝ち、ペアになります。それらの力を組み合わせると、それらはまったく異なるタイプの粒子、ボソンのように振る舞います。ボソンは、他のボソンと結合して 1 つとして移動するコヒーレントな群れになるという独自の能力を持っています。このボソン群は電気を完全に伝導します。銅酸化物ワイヤーのループを流れる電流は、永久に持続します — または液体窒素冷蔵庫が作動している限り.
「この分野での最大の疑問は、どのような力が電子を結びつけているのかということです.」タイレファーは言った。 「フォースを理解できれば、フォースを強化できるからです。」
多くの金属が絶対零度 (ケルビン スケールで 0 度、摂氏マイナス 273.15 度) 近くに冷却されたときに現れる種類の「従来の」超伝導では、電子対形成は、金属を通り抜ける穏やかな圧力波によって引き起こされます。電子がこれらの波の 1 つによって掃引されると、通過する電子に向かって移動する正に帯電した金属原子に引き付けられて、別の波がその後に続きます。しかし、このそよ風では、最高 160 ケルビン (マイナス 113 C) まで生き残る銅酸化物のペアリングを説明することはできません。多くの競合する力が同時に電子に影響を与えるようであり、このような広い温度範囲でそれらを結合する力は、それらを引き離そうとする他の力を克服するのに十分なほど強力でなければなりません.悪魔は力のもつれをほどきます。ニューヨークのビンガムトン大学の物理学助教授である Pegor Aynajian の言葉を借りれば、「まるで戦場にいるかのようで、誰が味方で誰が敵なのかわかりません。」
ますます敵のように見えるものの最初の兆候 — 「電荷秩序」としても知られる電荷密度波 — は 2002 年に現れました。カリフォルニア大学バークレー校の教授と、当時の彼の大学院生であるジェニファー・ホフマンは、強力な磁場で銅酸塩を吹き飛ばすとどこにでも現れた電子の密度の高い波紋と密度の低い波紋の微細なパターンを発見しました。超伝導。すぐに、他の研究室は、温度を上げるか、銅塩の酸素濃度を下げるなど、超伝導を殺し、波を生成するより多くのアクションを報告しました.
「電荷密度波が潜んでいて、超伝導に不利なことが起こったときに引き継ぐのを待っているというこの図を構築し始めます」と、現在ハーバード大学の准教授であるホフマンは言いました。
電子を電荷密度波に形作る力を抑えることができれば、そのライバルである超伝導ペアを形成する力が活発になる可能性があるように思われました。しかし、一部の研究者は、電子の波紋は単なる表面異常であり、超伝導とは無関係であると主張しました.
このコミュニティは 2012 年まで分裂したままでしたが、共鳴 X 線散乱と呼ばれる技術を使用する 2 つのグループが、銅酸化物の奥深くで電荷密度波を検出することに成功し、波の重要性を確固たるものにしました。グループが科学と自然物理学で彼らの発見を発表したとき、2つの新しい共同研究が形成されました.1つはDamascelliが主導し、もう1つはプリンストン大学のAli Yazdaniが主導し、波をさらに完全に特徴付ける計画を立てました. 2014 年 1 月にはライバル グループの独立した研究がまとめて Science に掲載されました。彼らは、電荷密度波が銅酸化物に遍在する現象であり、超伝導に激しく反対し、温度が上昇するにつれて優勢になることを確認しました。
「今、この超伝導状態が生き残るために、この他の状態と戦わなければならないことがわかりました」と、Taillefer は言いました。 「その請求命令があなたをどれほど傷つけているかわかりません。しかし、男の子、それを知る時が来ました。」
D-Wave パターン
超電導の戦場で敵を打ち負かすために、科学者はまずそれを理解する必要がありました。そのためには、電荷密度波の根底にある構造を詳しく調べる必要がありました。原子の軌道に閉じ込められている電子は、どのようにして銅酸化物の銅酸素層をさざ波する波を発生させるのでしょうか?
デービスと彼のコーネルのグループは、何年にもわたって顕微鏡の解像度を着実に改善してきました.2007年には、銅酸化物の最小の隅と割れ目、つまり材料の銅-酸素を並べる「単位セル」内の電子の分布の変化を検出することに成功しました.レイヤー。各セルは、その北端と東端で酸素原子に結合した中央の銅原子で構成されています。科学者たちは、一部の単位セルでは電子が北結合に沿って、他の単位セルでは東結合に沿って発見される可能性が高いことを発見しました。 Davis は、「d 波」として知られる形であるセル内の電子の不均一な分布が、複数のユニットセル全体でうねっているように見える電荷密度波の根本的な原因ではないかと考えました。 「しかし、契約を結ぶことができませんでした」と彼は言いました。
一方、ハーバードでは、Sachdev は Davis の 2007 年の研究で観察された電子の d 波配列が、電荷密度波の真の微視的構造であるかどうかも疑問に思っていました。今年の 3 月の土曜日の午後、Sachdev は Davis に電子メールを送り、彼の電子分布データから波について何か推測できたかどうか尋ねました。 Davis は、2 つの現象が関連していると長い間疑っていたが、一方から他方を収集するための適切なアルゴリズムを思い付くことができなかったと答えた。 1 時間以内に、Sachdev は、うまくいくと思われる手順を考案し、送信しました。案の定、Sachdev のアルゴリズムを新しいラウンドのデータに適用することにより、Davis と彼のグループは電荷密度波の構造をマッピングし、電子の d 波分布が実際にそれらの発生源であることを示しました。
「この論文は、2 つのパターンが同じであることを立証しています」と Sachdev 氏は述べています。 「それは美しく機能します。」
この結果は、X 線データを使用して電荷密度波の同じ d 波の形を明らかにした Damascelli、Comin、およびその共著者による以前の報告を完全に確認しました。 Damascelli のグループが最初にマイルストーンに到達しましたが、Davis は彼のチームがさらに進んだと言います。 「基本的に、彼らは私たちが直接視覚化したのと同じ状態の間接的な証拠を公開しました」と彼は言いました.
超伝導電子対もd波構成を持っているため、波の構造は特に示唆的であると研究者は言います。まるで両方の電子配置が同じ型から鋳造されたかのようです。 「数か月前までは、電荷密度波があるのに、誰が気にするの? と思っていました。高温超伝導との関連性は？」ダマセリは言った。 「これは、これらの現象が同じ相互作用を利用していることを示しています。」
結合双生児
多くの理論家は、両方の現象が反強磁性と呼ばれる量子力学的効果によって引き起こされていると考えています。この効果は、上下に回転する電子のチェス盤パターンを設定します。チェス盤の対角線に沿った正方形が同じ色を持つように、45 度の角度に沿って配置された電子は同じように回転します。
反強磁性は、高温超伝導の原因となる可能性が最も高い物質の 1 つと長い間考えられてきました。このアイデアの支持者は、電子を結合する力は本質的に、反対に回転する隣人の間の引力であると主張しています。これは、電子対が常に結晶格子の基本方向に沿って形成され、対角線に沿って形成されない理由を説明しています。これは、別の d 波配置です。超伝導のこのよく知られた d 波の性質は、電荷密度波の性質とはわずかに異なります。しかし、Sachdev と彼の共同研究者が開発した理論では、「2 つの d 波が実際に互いに関連していることがわかります」。
2010 年、Sachdev と彼の学生である Max Metlitski は、反強磁性が電子間だけでなく、電子と「正孔」、または電子が存在する可能性がある原子の軌道上の場所との間のペアリングを引き起こす可能性があることを数学的に示しました。電子と正孔のペアは、電子のペアが超伝導のビルディング ブロックであるように、電荷密度波の基本的なビルディング ブロックと広く見なされています。さらに、2013 年 7 月、Sachdev と別の学生である Rolando La Placa は、結果として得られる電子正孔対が d 波の形で配列することを示しました。この場合、Davis の最近の実験で観察された種類です。
つまり、反強磁性は、超伝導とそのライバルである電荷密度波の両方の d 波パターンを生成することができます。
「反強磁性が電荷密度波と超伝導の両方の母体状態であることは理にかなっています」と、ケンブリッジ大学の物理学者で、電荷密度波に関する独自の新しい研究がまもなく Nature に掲載される予定であると述べました。 「私たちがこれまでに知っている多くの重要な側面はそれと一致しており、何が起こっているのかを説明する可能性が非常に高いようです.」
Hoffman は、Sachdev の新しいフレームワークを「美しい記述理論」と呼びました。しかし、彼女は、電荷密度波と超伝導のバランスが温度、磁場、または銅酸塩の種類によってどのように変化するかを予測するには、まだ十分に洗練されていないと指摘した. 「最終的な目標はもちろん、新素材と新技術を可能にする予測理論です」と彼女は言いました.
スタンフォード大学の理論物理学者で、3 つの現象が絡み合っている可能性があると 20 年間主張してきたスティーブ・キベルソン氏は、反強磁性、電荷密度波、超伝導を結びつける他の理論がまだ有効であると述べています。キベルソン氏によると、彼らの関係の正しい理論はまだ確立されていません.最大の進歩は実験的な側面にありました.「おそらく、実験にもっと焦点を当てるべきだと思います.
Sachdev の理論 (またはその他の理論) が正しいことが判明したとしても、材料科学者が超伝導の熱を大幅に高める方法を見つけられるかどうかはまだ分からない。それは単に不可能かもしれません。しかし近年、これらの科学者たちは、自然の原材料のノブを微調整することに驚くべき成功を収めていることが証明されています。 「彼らは通常、これを行う際に奇跡を起こします」と Davis 氏は言いました。
Sachdev の理論は示唆を与えます。これは、電子-電子と電子-正孔の 2 種類の対が反強磁性の結果である可能性が同じであることを示しているため、その相互作用の強さを変更しても、超伝導が電荷密度波を支配するのに役立つことはありません。しかし、ペアには他にも違いがあります。たとえば、電子と正孔のペアは、銅酸化物格子を通過する速度が遅く、材料の特定の特性を変更すると、これらの動きの遅い要素が消滅します。このプロパティをどのように微調整するかは、「明らかに、私たちが考えている問題です」と Sachdev 氏は述べています。
他の研究者は、超伝導が電荷密度波を支配する温度範囲を広げる方法について独自のアイデアを持っています。彼らのアプローチを明らかにすることを拒否した人もいました。 「賞金は非常に大きいです」とホフマン氏は、この分野の競争力について説明しました。 「誰かが室温超伝導体を発見した場合、それは個人的な名声の点で、人類への贈り物の点で、名声と遺産の点で巨大です。」
超電導を室温まで上げることの最大の利点は、アクセスしやすさです。レーザーとコンピューターが予想外にインターネットを生み出したように、超伝導の多くの用途はおそらくまだ知られていません。ポイントは、テクノロジーを利用できるようにして、何が起こるかを確認することです。 「現在、研究室には非常に専門的な専門家が大勢いて、超電導をいじっています」と Taillefer 氏は述べています。 「それはあなたが望むものではありません。地球全体が超電導でふざけていることを望んでいます。」
