一項新的原子級實驗幾乎確定了銅酸鹽晶體中強超導形式的起源，證實了一個已有 35 年歷史的理論。

幾十年來，一個晶體家族以其令人費解的超導能力——也就是說，在比其他材料高得多的溫度下攜帶電流——讓物理學家感到困惑。

現(xiàn)在，一項醞釀多年的實驗直接在其中一個晶體的原子尺度上可視化了超導性，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摩擦的流動中。

“這個證據(jù)非常漂亮和直接，”哈佛大學物理學家Subir Sachdev說，他建立了被稱為銅酸鹽的晶體理論，并沒有參與實驗。

“我已經(jīng)研究這個問題 25 年了，我希望我已經(jīng)解決了它，”牛津大學新實驗的領(lǐng)導者JC Séamus Davis說?！拔曳浅＜??！?/p>

新的測量結(jié)果與基于該理論的預測相匹配，該理論將銅酸鹽超導歸因于一種稱為超交換的量子現(xiàn)象。“我對定量協(xié)議感到驚訝，”加拿大舍布魯克大學的物理學家、去年做出這一預測的小組負責人安德烈-瑪麗·特倫布萊 ( André-Marie Tremblay ) 說。

該研究推動了該領(lǐng)域的長期雄心：采用銅酸鹽超導并加強其潛在機制，以設計能夠在更高溫度下超導電力的改變世界的材料。室溫超導性將為日常電子產(chǎn)品、電力線等帶來完美的效率，盡管目標仍然很遙遠。

“如果這類理論是正確的，”戴維斯在談到超交換理論時說，“應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 年首次觀察到超導性以來，物理學家一直在與超導作斗爭。荷蘭科學家 Heike Kamerlingh Onnes 及其合作者將水銀線冷卻至約 4 開爾文（即絕對零以上 4 度），并驚訝地看著電阻驟降至零. 電子在與原子碰撞時巧妙地穿過導線而不會產(chǎn)生熱量——這就是電阻的起源。戴維斯說，要弄清楚如何做，需要“一生的努力”。

基于 1950 年代中期的關(guān)鍵實驗見解，約翰·巴丁、萊昂·庫珀和約翰·羅伯特·施里弗于 1957 年發(fā)表了關(guān)于這種傳統(tǒng)形式的超導性的諾貝爾獎獲得者理論。今天眾所周知的“BCS 理論”認為，振動在運動通過成排的原子將電子“粘合”在一起。當帶負電的電子在原子之間飛行時，它會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電子。這兩個電子克服了它們強烈的電斥力，形成了“庫珀對”。

“這真是大自然的詭計，”德國卡爾斯魯厄理工學院的物理學家J?rg Schmalian說。

當電子耦合時，進一步的量子詭計使超導性不可避免。通常，電子不能重疊，但庫珀對遵循不同的量子力學規(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。許多庫珀對聚集在一起并合并成一個單一的量子力學狀態(tài)，即一種“超流體”，它會忘記它穿過的原子。

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零時會超導，但在幾開爾文以上時停止。原子波紋是最薄弱的膠水。調(diào)高熱量，它會搖晃原子并消除晶格振動。

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后，研究人員很快發(fā)現(xiàn)了其他超導超過 100開爾文的材料，然后又超過了130 開爾文。

這一突破引發(fā)了廣泛的努力，以了解導致這種“高溫”超導性的更堅韌的膠水。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。

已故的美國諾貝爾獎獲得者、凝聚態(tài)物理學全能傳奇人物菲利普·安德森（Philip Anderson）在高溫超導被發(fā)現(xiàn)幾個月后提出了一個理論。他認為，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。當電子可以在多個位置之間跳躍時，它們在任何時刻的位置都變得不確定，而它們的動量則變得精確定義。更尖銳的動量可能是更低的動量，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，當它的鄰居指向上方時，一個電子更喜歡指向下方，因為這種區(qū)別允許兩個電子在相同的原子之間跳躍。通過這種方式，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。它還推動電子保持一定距離。（太遠了，他們不能跳。）安德森認為正是這種有效的吸引力可以形成強大的庫珀對。

實驗家長期以來一直在努力測試像安德森這樣的理論，因為他們可以測量的材料特性，如反射率或電阻，只提供了數(shù)萬億電子而不是電子對的集體行為的粗略總結(jié)。

戴維斯說：“凝聚態(tài)物理的任何傳統(tǒng)技術(shù)都沒有被設計用來解決這樣的問題。”

超級實驗

戴維斯是一名愛爾蘭物理學家，在牛津、康奈爾大學、科克大學和德累斯頓國際馬克斯普朗克量子材料化學與物理研究所設有實驗室，他逐漸開發(fā)出在原子水平上檢查銅酸鹽的工具。早期的實驗通過冷卻材料直到達到超導開始的臨界溫度來測量材料的超導強度——溫度越高表明膠水越強。但在過去的十年里，戴維斯的團隊已經(jīng)改進了一種方法來刺激單個原子周圍的膠水。

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)將一根針拖過一個表面，測量在兩者之間跳躍的電子電流。通過將針的正常金屬尖端換成超導尖端并將其掃過銅酸鹽，他們測量了電子對而不是個體的電流。這讓他們能夠繪制出圍繞每個原子的庫珀對的密度——這是一種直接測量超導性的方法。他們于 2016 年在《自然》雜志上發(fā)表了第一張庫珀對的圖像。

同年，中國物理學家的一項實驗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)。戴維斯和他的同事試圖將這兩種方法結(jié)合在一個單一的銅酸鹽晶體中，以更明確地揭示膠水的性質(zhì)。

他說，“結(jié)合”時刻出現(xiàn)在 2020 年關(guān)于 Zoom 的一次小組會議上。研究人員意識到，一種名為鉍鍶鈣銅氧化物（BSCCO，或簡稱“bisko”）的銅酸鹽具有使他們夢想中的實驗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。這會改變某些原子之間的距離，進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，但它給了實驗家們所需要的東西：一個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銅酸鹽尖端來測量每個原子周圍庫珀對的密度。

對自然波浪狀BSCCO晶體的逐個原子掃描指出了銅酸鹽中超導性的起源。

兩張地圖排成一列。在電子難以跳躍的地方，超導性很弱。在跳躍容易的地方，超導性很強。跳躍能量和庫珀對密度之間的關(guān)系與 Tremblay 及其同事從 2021 年開始的復雜數(shù)值預測非常吻合，他們認為這種關(guān)系應該遵循安德森的理論。

Superexchange 強力膠

戴維斯本月發(fā)表在《美國國家科學院院刊》上的關(guān)于跳躍能量與超導強度相關(guān)的發(fā)現(xiàn)強烈暗示超交換是能夠?qū)崿F(xiàn)高溫超導的超級粘合劑。

普林斯頓大學的物理學家阿里·亞茲達尼說：“這是一項很好的工作，因為它帶來了一種新技術(shù)，進一步證明了這個想法是有道理的。”他開發(fā)了類似的技術(shù)來研究銅酸鹽和其他與戴維斯平行的奇異超導實例。 ‘ 團體。

但 Yazdani 和其他研究人員警告說，由于某些其他原因，膠水強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。對于 Yazdani 來說，證明因果關(guān)系的真正方法將是利用超級交換來設計一些華麗的新超導體。

“如果它完成了，讓我們增加T c，”他說，指的是臨界溫度。

超級交換并不是一個新想法，因此許多研究人員已經(jīng)考慮過如何強化它，也許是通過進一步擠壓銅和氧晶格或嘗試其他元素對?！耙呀?jīng)有預測了，”Tremblay 說。

當然，繪制原子藍圖和設計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到比我們已知的銅酸鹽高得多的臨界溫度。就像原子振動看起來一樣，超級交換的強度可能有一個堅硬的天花板。一些研究人員正在研究完全不同、甚至可能更強的膠水的候選者。其他人則利用超凡脫俗的壓力來支撐傳統(tǒng)的原子振動。

但戴維斯的結(jié)果可以激發(fā)和集中化學家和材料科學家的努力，他們旨在將銅酸鹽超導體提升到更高的高度。

“設計材料的人的創(chuàng)造力是無限的，”Schmalian 說?！拔覀冊较嘈乓环N機制是正確的，就越自然地進一步投資于這個機制?！?/p>