一項(xiàng)新的原子級(jí)實(shí)驗(yàn)幾乎確定了銅酸鹽晶體中強(qiáng)超導(dǎo)形式的起源，證實(shí)了一個(gè)已有 35 年歷史的理論。
幾十年來(lái)，一個(gè)晶體家族以其令人費(fèi)解的超導(dǎo)能力——也就是說(shuō)，在比其他材料高得多的溫度下攜帶電流——讓物理學(xué)家感到困惑。
現(xiàn)在，一項(xiàng)醞釀多年的實(shí)驗(yàn)直接在其中一個(gè)晶體的原子尺度上可視化了超導(dǎo)性，最終揭示了幾乎所有人都滿意的現(xiàn)象的原因。電子似乎以一種幾乎與神秘本身一樣古老的古老理論首次提出的方式將彼此推入無(wú)摩擦的流動(dòng)中。
“這個(gè)證據(jù)非常漂亮和直接，”哈佛大學(xué)物理學(xué)家Subir Sachdev說(shuō)，他建立了被稱為銅酸鹽的晶體理論，并沒有參與實(shí)驗(yàn)。
“我已經(jīng)研究這個(gè)問題 25 年了，我希望我已經(jīng)解決了它，”牛津大學(xué)新實(shí)驗(yàn)的領(lǐng)導(dǎo)者JC Séamus Davis說(shuō)。“我非常激動(dòng)?！?/p>
新的測(cè)量結(jié)果與基于該理論的預(yù)測(cè)相匹配，該理論將銅酸鹽超導(dǎo)歸因于一種稱為超交換的量子現(xiàn)象?！拔覍?duì)定量協(xié)議感到驚訝，”加拿大舍布魯克大學(xué)的物理學(xué)家、去年做出這一預(yù)測(cè)的小組負(fù)責(zé)人安德烈-瑪麗·特倫布萊 ( André-Marie Tremblay ) 說(shuō)。
該研究推動(dòng)了該領(lǐng)域的長(zhǎng)期雄心：采用銅酸鹽超導(dǎo)并加強(qiáng)其潛在機(jī)制，以設(shè)計(jì)能夠在更高溫度下超導(dǎo)電力的改變世界的材料。室溫超導(dǎo)性將為日常電子產(chǎn)品、電力線等帶來(lái)完美的效率，盡管目標(biāo)仍然很遙遠(yuǎn)。
“如果這類理論是正確的，”戴維斯在談到超交換理論時(shí)說(shuō)，“應(yīng)該可以描述在不同位置具有不同原子的合成材料”，其臨界溫度更高。
兩種膠水
自 1911 年首次觀察到超導(dǎo)性以來(lái)，物理學(xué)家一直在與超導(dǎo)作斗爭(zhēng)。荷蘭科學(xué)家 Heike Kamerlingh Onnes 及其合作者將水銀線冷卻至約 4 開爾文（即絕對(duì)零以上 4 度），并驚訝地看著電阻驟降至零. 電子在與原子碰撞時(shí)巧妙地穿過(guò)導(dǎo)線而不會(huì)產(chǎn)生熱量——這就是電阻的起源。戴維斯說(shuō)，要弄清楚如何做，需要“一生的努力”。
基于 1950 年代中期的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)見解，約翰·巴丁、萊昂·庫(kù)珀和約翰·羅伯特·施里弗于 1957 年發(fā)表了關(guān)于這種傳統(tǒng)形式的超導(dǎo)性的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理論。今天眾所周知的“BCS 理論”認(rèn)為，振動(dòng)在運(yùn)動(dòng)通過(guò)成排的原子將電子“粘合”在一起。當(dāng)帶負(fù)電的電子在原子之間飛行時(shí)，它會(huì)將帶正電的原子核拉向它并引發(fā)漣漪。那漣漪吸引了第二個(gè)電子。這兩個(gè)電子克服了它們強(qiáng)烈的電斥力，形成了“庫(kù)珀對(duì)”。
“這真是大自然的詭計(jì)，”德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院的物理學(xué)家J?rg Schmalian說(shuō)。
當(dāng)電子耦合時(shí)，進(jìn)一步的量子詭計(jì)使超導(dǎo)性不可避免。通常，電子不能重疊，但庫(kù)珀對(duì)遵循不同的量子力學(xué)規(guī)則；它們就像光粒子一樣，任何數(shù)量的光粒子都可以堆積在針頭上。許多庫(kù)珀對(duì)聚集在一起并合并成一個(gè)單一的量子力學(xué)狀態(tài)，即一種“超流體”，它會(huì)忘記它穿過(guò)的原子。
BCS 理論還解釋了為什么汞和大多數(shù)其他金屬元素在冷卻到接近絕對(duì)零時(shí)會(huì)超導(dǎo)，但在幾開爾文以上時(shí)停止。原子波紋是最薄弱的膠水。調(diào)高熱量，它會(huì)搖晃原子并消除晶格振動(dòng)。
然后在 1986 年，IBM 研究人員 Georg Bednorz 和 Alex Müller 在銅酸鹽中偶然發(fā)現(xiàn)了一種更強(qiáng)的電子膠：由散布在其他元素層之間的銅片和氧組成的晶體。在他們觀察到 30 開爾文的銅酸鹽超導(dǎo)后，研究人員很快發(fā)現(xiàn)了其他超導(dǎo)超過(guò) 100開爾文的材料，然后又超過(guò)了130 開爾文。
這一突破引發(fā)了廣泛的努力，以了解導(dǎo)致這種“高溫”超導(dǎo)性的更堅(jiān)韌的膠水。也許電子聚集在一起形成了斑駁的、波紋狀的電荷濃度。或者它們可能通過(guò)自旋相互作用，這是電子的一種內(nèi)在特性，可以將其定向到特定方向，就像量子大小的磁鐵一樣。
已故的美國(guó)諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、凝聚態(tài)物理學(xué)全能傳奇人物菲利普·安德森（Philip Anderson）在高溫超導(dǎo)被發(fā)現(xiàn)幾個(gè)月后提出了一個(gè)理論。他認(rèn)為，膠水的核心是一種先前描述的稱為超交換的量子現(xiàn)象——一種由電子跳躍能力產(chǎn)生的力。當(dāng)電子可以在多個(gè)位置之間跳躍時(shí)，它們?cè)谌魏螘r(shí)刻的位置都變得不確定，而它們的動(dòng)量則變得精確定義。更尖銳的動(dòng)量可能是更低的動(dòng)量，因此是粒子自然尋找的更低能量狀態(tài)。
結(jié)果是電子尋找可以跳躍的情況。例如，當(dāng)它的鄰居指向上方時(shí)，一個(gè)電子更喜歡指向下方，因?yàn)檫@種區(qū)別允許兩個(gè)電子在相同的原子之間跳躍。通過(guò)這種方式，超交換在某些材料中建立了規(guī)律的上下上下電子自旋模式。它還推動(dòng)電子保持一定距離。（太遠(yuǎn)了，他們不能跳。）安德森認(rèn)為正是這種有效的吸引力可以形成強(qiáng)大的庫(kù)珀對(duì)。
實(shí)驗(yàn)家長(zhǎng)期以來(lái)一直在努力測(cè)試像安德森這樣的理論，因?yàn)樗麄兛梢詼y(cè)量的材料特性，如反射率或電阻，只提供了數(shù)萬(wàn)億電子而不是電子對(duì)的集體行為的粗略總結(jié)。
戴維斯說(shuō)：“凝聚態(tài)物理的任何傳統(tǒng)技術(shù)都沒有被設(shè)計(jì)用來(lái)解決這樣的問題?！?/p>
超級(jí)實(shí)驗(yàn)
戴維斯是一名愛爾蘭物理學(xué)家，在牛津、康奈爾大學(xué)、科克大學(xué)和德累斯頓國(guó)際馬克斯普朗克量子材料化學(xué)與物理研究所設(shè)有實(shí)驗(yàn)室，他逐漸開發(fā)出在原子水平上檢查銅酸鹽的工具。早期的實(shí)驗(yàn)通過(guò)冷卻材料直到達(dá)到超導(dǎo)開始的臨界溫度來(lái)測(cè)量材料的超導(dǎo)強(qiáng)度——溫度越高表明膠水越強(qiáng)。但在過(guò)去的十年里，戴維斯的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)改進(jìn)了一種方法來(lái)刺激單個(gè)原子周圍的膠水。
他們修改了一種稱為掃描隧道顯微鏡的成熟技術(shù)，該技術(shù)將一根針拖過(guò)一個(gè)表面，測(cè)量在兩者之間跳躍的電子電流。通過(guò)將針的正常金屬尖端換成超導(dǎo)尖端并將其掃過(guò)銅酸鹽，他們測(cè)量了電子對(duì)而不是個(gè)體的電流。這讓他們能夠繪制出圍繞每個(gè)原子的庫(kù)珀對(duì)的密度——這是一種直接測(cè)量超導(dǎo)性的方法。他們于 2016 年在《自然》雜志上發(fā)表了第一張庫(kù)珀對(duì)的圖像。
同年，中國(guó)物理學(xué)家的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)提供了支持安德森超交換理論的重要證據(jù)：他們表明，電子越容易在給定銅酸鹽中的銅和氧原子之間跳躍，銅酸鹽的臨界溫度就越高（因此它的膠水越強(qiáng))。戴維斯和他的同事試圖將這兩種方法結(jié)合在一個(gè)單一的銅酸鹽晶體中，以更明確地揭示膠水的性質(zhì)。
他說(shuō)，“結(jié)合”時(shí)刻出現(xiàn)在 2020 年關(guān)于 Zoom 的一次小組會(huì)議上。研究人員意識(shí)到，一種名為鉍鍶鈣銅氧化物（BSCCO，或簡(jiǎn)稱“bisko”）的銅酸鹽具有使他們夢(mèng)想中的實(shí)驗(yàn)成為可能的特殊特性。在 BSCCO 中，銅和氧原子層被周圍的原子片擠壓成波浪狀。這會(huì)改變某些原子之間的距離，進(jìn)而影響跳躍所需的能量。這種變化讓理論家們頭疼，他們喜歡整潔的格子，但它給了實(shí)驗(yàn)家們所需要的東西：一個(gè)樣本中的一系列跳躍能量。
他們使用帶有金屬尖端的傳統(tǒng)掃描顯微鏡將電子粘在一些原子上并從其他原子中取出它們，從而繪制出銅酸鹽上的跳躍能量。然后他們交換了一個(gè)銅酸鹽尖端來(lái)測(cè)量每個(gè)原子周圍庫(kù)珀對(duì)的密度。
對(duì)自然波浪狀BSCCO晶體的逐個(gè)原子掃描指出了銅酸鹽中超導(dǎo)性的起源。
兩張地圖排成一列。在電子難以跳躍的地方，超導(dǎo)性很弱。在跳躍容易的地方，超導(dǎo)性很強(qiáng)。跳躍能量和庫(kù)珀對(duì)密度之間的關(guān)系與 Tremblay 及其同事從 2021 年開始的復(fù)雜數(shù)值預(yù)測(cè)非常吻合，他們認(rèn)為這種關(guān)系應(yīng)該遵循安德森的理論。
Superexchange 強(qiáng)力膠
戴維斯本月發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上的關(guān)于跳躍能量與超導(dǎo)強(qiáng)度相關(guān)的發(fā)現(xiàn)強(qiáng)烈暗示超交換是能夠?qū)崿F(xiàn)高溫超導(dǎo)的超級(jí)粘合劑。
普林斯頓大學(xué)的物理學(xué)家阿里·亞茲達(dá)尼說(shuō)：“這是一項(xiàng)很好的工作，因?yàn)樗鼛?lái)了一種新技術(shù)，進(jìn)一步證明了這個(gè)想法是有道理的?！彼_發(fā)了類似的技術(shù)來(lái)研究銅酸鹽和其他與戴維斯平行的奇異超導(dǎo)實(shí)例。 ‘ 團(tuán)體。
但 Yazdani 和其他研究人員警告說(shuō)，由于某些其他原因，膠水強(qiáng)度和跳躍的難易度仍有可能同步變化，而且該領(lǐng)域正陷入經(jīng)典的相關(guān)等于因果陷阱。對(duì)于 Yazdani 來(lái)說(shuō)，證明因果關(guān)系的真正方法將是利用超級(jí)交換來(lái)設(shè)計(jì)一些華麗的新超導(dǎo)體。
“如果它完成了，讓我們?cè)黾覶 c，”他說(shuō)，指的是臨界溫度。
超級(jí)交換并不是一個(gè)新想法，因此許多研究人員已經(jīng)考慮過(guò)如何強(qiáng)化它，也許是通過(guò)進(jìn)一步擠壓銅和氧晶格或嘗試其他元素對(duì)。“已經(jīng)有預(yù)測(cè)了，”Tremblay 說(shuō)。
當(dāng)然，繪制原子藍(lán)圖和設(shè)計(jì)滿足研究人員需求的材料并不容易。此外，不能保證即使是定制的銅酸鹽也能達(dá)到比我們已知的銅酸鹽高得多的臨界溫度。就像原子振動(dòng)看起來(lái)一樣，超級(jí)交換的強(qiáng)度可能有一個(gè)堅(jiān)硬的天花板。一些研究人員正在研究完全不同、甚至可能更強(qiáng)的膠水的候選者。其他人則利用超凡脫俗的壓力來(lái)支撐傳統(tǒng)的原子振動(dòng)。
但戴維斯的結(jié)果可以激發(fā)和集中化學(xué)家和材料科學(xué)家的努力，他們旨在將銅酸鹽超導(dǎo)體提升到更高的高度。
“設(shè)計(jì)材料的人的創(chuàng)造力是無(wú)限的，”Schmalian 說(shuō)?！拔覀?cè)较嘈乓环N機(jī)制是正確的，就越自然地進(jìn)一步投資于這個(gè)機(jī)制?！?/p>
