고온 초전도체의 미세한 구조는 과학자들이 거의 무한한 기술적 잠재력을 활용하려는 오랫동안 의아해해 왔습니다. 이제 마지막으로 연구자들은 한 부류의 초전도체의 암호 구조를 해독하여 냉각시 완벽한 효율성으로 전기를 운송하는 방법과 과학자들이 일상 생활의 기후에 더 가깝게 작동하는 방법에 대한 이론을 제공했습니다.
.이 목표는 실현된다면 에너지를 잃지 않는 전력망과 저렴한 물 정제 시스템에 이르기까지 전력망에서 자기 적으로 차량을 침수하는 전력망에서 상업적으로 실행 가능한 환상적인 사운드 기술을 만들 수 있습니다. 과학자들은 실온 초전도가 경제 활동에서 약 7.5 조 달러로 중요한 역할을하는 1960 년의 발명품 인 레이저와 동등한 영향을 미칠 것이라고 믿는다.
.퀘벡의 Sherbrooke University의 물리학 교수 인 Louis Taillefer는“레이저가 전구보다 훨씬 강력한 지옥의 지옥 인 것과 마찬가지로, 방 온도 초전도는 전기를 운송하는 방법을 완전히 바꾸고 전기를 사용하는 새로운 방법을 완전히 변화시킬 것입니다.
1986 년에 고온 전임자보다 훨씬 따뜻한 조건에서 초전도가 많은 자료가 발견되었으며, IBM 연구원 인 Georg Bednorz와 K. Alex Müller가 곧 물리학 상을 수상했습니다. 그러나 28 년 후,이“고온”초전도체는 여전히 실온에서 100도 이상 섭씨로 떨어집니다. 재료의 복잡성은 지금까지 운영 온도를 다이얼하는 꿈을 좌절 시켰습니다. 연구원들은 새로운 발견이 올바른 길로 확고하게 설정하고 있다고 말합니다.
“질병을 치료하려면 먼저 미생물이 존재한다는 것을 발견해야합니다. 이것은 어떤 미생물이 존재하는지 발견하는 것과 같습니다.”라고 Cornell University와 St. Andrews University의 물리학 교수이자 Brookhaven National Laboratory에서 Energy Department of Energy Superconductivity Center의 이사 인 J. C. Seamus Davis는 말했습니다.
이 경우“미생물”은 전하 밀도 파라고하는 초전도체 내부의 전자의 잔물결입니다. 독립적 인 연구자 그룹에 의해 두 개의 새로운 논문에서보고 된 파도의 세밀한 구조는 이들이 초전도와 같은 힘에 의해 구동 될 수 있음을 시사한다. Davis와 그의 동료들은 4 월에 온라인으로 게시 된 연구에서 파도를 직접 시각화하여 2 월 토론토 대학의 박사후 연구원 인 Riccardo Comin이 이끄는 팀이 2 월에보고 한 간접 증거를 확증했습니다.
시카고 일리노이 대학교 (University of Illinois)의 물리학 교수 인 Dirk Morr는“아름다운 논문입니다. "이 결과를 실제로 신뢰하고 우리의 이론을 구축 할 수 있습니다."
하버드 대학교의 물리학 교수 인 Subir Sachdev는 작년에 논문에서 전하 밀도 파의 형태를 올바르게 예측했으며, 이는 파도와 고온 초전도 모두 뒤에있는 가능한 메커니즘을 자세히 설명했습니다. 추가 테스트가 필요하지만 Sachdev의 이론은 많은 전문가들의 지원을 받고 있으며, 이는 자료의 주요 특징을 간결하게 포착한다고 말합니다.
.종합하면, 다양한 발견이 마침내 고온 초전도의 물리학에 대한 포괄적 인 그림을 구축하기 시작했습니다. 브리티시 컬럼비아 대학교 (University of British Columbia)의 물리학 교수 인 안드레아 다 마스 셀리 (Andrea Damascelli)는“이번이 처음 진전을 보이고있는 것 같다”고 말했다. "수십 년에 걸쳐 이루어진 많은 다른 관찰은 서로 의미가 없었으며 지금은 그렇게합니다."
Comin은 최근 몇 달 동안 진보의 비율은“우리에게는 거의 압도적이었다”고 말했다. 더 나은 실험 도구로, 그와 다른 연구자들은 경쟁자들이 책상에 쌓인 매혹적인 논문으로 흥미로운 새로운 결과를 발표하기 위해 서두르는 것을 설명했습니다.
.데이비스는“이것은 롤러 코스터를 타는 것이 었습니다. "하루 24 시간과 같았습니다."
적의 얼굴
고온 초전도성은 양자 역학의 기적처럼 보이며, 이해할 수 있다면 큰 영향을 미칠 수 있습니다.
이 특성은 주로 Cuprates, 2 차원의 구리 및 산소로 구성된 취성 세라믹 물질에 의해 주로 전시된다. Cuprates가 특정 온도 아래에서 냉각되면, 구리 산소 시트의 전자는 갑자기 상호 반발을 극복하고 짝을 이루는다. 그들의 힘이 결합되면, 그들은 다른 유형의 입자, 보손처럼 행동합니다. 보손은 다른 보손과 함께 하나로 움직이는 일관된 떼에 합류 할 수있는 독특한 능력을 가지고 있습니다. 이 Bosonic Swarm은 전기를 완벽하게 수행합니다. Cuprate 와이어 루프를 통해 흐르는 전류는 영원히 지속됩니다. 또는 액체 질소 냉장고가 계속 유지되는 한.
"현장에서 가장 큰 문제는 어떤 힘이 전자를 함께 묶는가?" Taillefer가 말했다. "힘을 이해할 수 있다면 힘을 강화할 수 있습니다."
"기존"초전도성에서, 절대 제로 근처 (켈빈 스케일의 0도 또는 섭씨 273.15도) 근처에서 냉각 될 때 많은 금속이 전시 한 종류는 금속을 통해 산들 바람이 부는 부드러운 압력 파로 인해 발생합니다. 전자가 이러한 파도 중 하나에 의해 휩쓸려 올 때, 다른 파도는 깨어 난 후에 따라 지나가는 전자를 향해 이동하는 양으로 하전 된 금속 원자에 끌립니다. 그러나이 가벼운 바람은 Cuprates에서 짝을 이루는 것을 설명 할 수 없으며, 이는 최대 160 개의 켈빈 (마이너스 113 C)에서 살아남습니다. 많은 경쟁력이 전자에 동시에 영향을 미치는 것처럼 보이며, 그러한 넓은 온도 범위에 걸쳐 그들을 결합시키는 힘은 그들을 분리하기 위해 노력하는 다른 사람들을 극복 할 수있을 정도로 강해야합니다. 악마는 세력을 분리하고 있습니다. 뉴욕의 빙엄 턴 대학교 (Binghamton University)의 물리 조교수 인 페르 아이나 지안 (Pegor Aynajian)의 말에 따르면,“우리는 전장에있는 것처럼 느껴지고 우리의 동맹국이고 우리의적인 사람을 모른다.”
.2002 년에 "전하 순서"라고도하는 충전 밀도 파를 점점 더 좋아 보이는 것의 첫 번째 징후는 2002 년에 나왔습니다. 나노 미터 해상도, Davis와 함께 Cuprates 표면의 전류를 매핑 할 수있는 새로운 종류의 현미경을 사용하여 캘리포니아 대학교, 버클리 및 제니퍼 호프만 교수 인 그의 졸업생은 미세한 패턴을 발견했습니다. 그들은 강력한 자기장으로 cuprate를 폭파했을 때, 초전도성을 억제하는 효과입니다. 곧 다른 실험실은 초전도성을 죽이고 온도를 높이거나 Cuprates의 산소 농도를 낮추는 등 파도를 생산하는 더 많은 행동을보고했습니다.
하버드의 부교수 인 호프만 (Hoffman)은“전하 밀도 파가 숨어있는이 그림을 만들기 시작하면서 초전도성에 비우호적 인 일이 일어날 때 대기하기를 기다리고있다”고 말했다.
전자 형성 전자를 전하 밀도 파로 억제 할 수 있다면, 경쟁자, 초전도 쌍을 형성하는 힘이 번성 할 수있는 것처럼 보였다. 그러나 일부 연구자들은 전자의 잔물결이 단지 표면 변칙 일 뿐이며 초전도와 관련이 없다고 주장했다.
공진 X- 선 산란이라는 기술을 사용하는 두 그룹이 CUPRATE 내부의 전하 밀도 파를 감지하여 파도의 중요성을 강화할 때 커뮤니티는 2012 년까지 나뉘어졌습니다. 그룹이 과학 및 자연 물리학 분야에서 발견 한 결과, 두 개의 새로운 협력이 형성되었으며, 하나는 Damascelli가 주도하고 Princeton University의 Ali Yazdani가 이끄는 다른 하나는 파도를 훨씬 더 철저하게 특성화 할 계획입니다. 죽은 열에서 마무리 된 라이벌 그룹의 독립적 인 연구는 2014 년 1 월 과학에 함께 나타났습니다. 그들은 전하 밀도 파가 cuprates의 유비쿼터스 현상이며 온도가 상승함에 따라 초전도에 반대하는 것을 확인했습니다.
.Taillefer는“이제 우리는이 초전도 국가 가이 다른 주와의 생존을 위해 싸워야한다는 것을 알고 있습니다. “그 청구 명령이 당신을 얼마나 아프게하는지 모르겠습니다. 하지만 소년, 이제 알아볼 시간입니다.”
A D-wave 패턴
초전도체 전장에서 적을 물리 치기 위해 과학자들은 먼저 그것을 이해해야했습니다. 이를 위해서는 전하 밀도 파의 기본 구조를 면밀히 살펴볼 필요가있었습니다. 원자의 궤도에 국한된 전자는 어떻게 Cuprates의 구리 산소 층을 통해 파도를 일으키는가?
Davis와 그의 코넬 그룹은 수년에 걸쳐 현미경의 해상도를 꾸준히 개선 해 왔으며 2007 년에는 Cuprates의 가장 작은 구석 및 크루니 내에서 전자 분포의 변화를 감지했습니다 :재료의 구리-산소 층을 기울이는 "단위 세포". 각 세포는 북쪽과 동부 모서리의 산소 원자에 결합 된 중앙 구리 원자로 구성됩니다. 과학자들은 전자가 일부 단위 세포에서 북부 결합을 따라 발견 될 가능성이 높다는 것을 발견했습니다. Davis는“D-wave”로 알려진 형태 인 세포 내부의 전자 의이 고르지 않은 분포가 여러 단위 셀에 걸쳐 파괴되는 것으로 보이는 전하 밀도 파의 뿌리 원이라고 의심했다. "그러나 우리는 단지 거래를 닫을 수 없었습니다."
한편 하버드에서는 Sachdev가 Davis의 2007 년 작업에서 관찰 된 전자의 D-wave 배열이 전하 밀도 파의 진정한 현미경 구조인지 궁금했습니다. 올해 3 월 토요일 오후, Sachdev는 Davis에게 전자 분포 데이터에서 파도에 대해 무엇이든 추론 할 수 있는지 묻는 이메일을 보냈습니다. 데이비스는 오랫동안 두 현상이 연결되어 있다고 의심했지만 다른 현상을 다른 사람으로부터 수집하기위한 올바른 알고리즘을 생각해 낼 수 없다고 대답했다. 1 시간 안에 Sachdev는 자신이 트릭을 수행 할 것이라고 생각한 절차를 고안했습니다. Sachdev의 알고리즘을 새로운 데이터 라운드에 적용함으로써 Davis와 그의 그룹은 전하 밀도 파의 구조를 매핑하여 전자의 d-wave 분포가 실제로 그들의 공급원임을 보여줍니다.
.Sachdev는“이 논문은 두 패턴이 동일하다는 것을 확립합니다. "그것은 단지 아름답게 작동합니다."
결과는 Damascelli, Comin 및 그들의 공동 저자의 초기 보고서를 완전히 확인하여 X- 선 데이터를 사용하여 동일한 D- 파 형태의 전하 밀도 파를 드러 냈습니다. Damascelli의 그룹이 먼저 이정표에 도달했지만 Davis는 그의 팀이 더 나아 갔다고 말했다. "기본적으로 그들은 우리가 직접 시각화 한 것과 동일한 상태에 대한 간접적 인 증거를 발표했습니다."
연구원들은 파도의 구조는 특히 암시 적이라고 말합니다. 초전도 전자 쌍의 전자 쌍에도 d-wave 구성이 있기 때문입니다. 마치 전자의 두 배열이 동일한 곰팡이에서 주조 된 것처럼 보입니다. “몇 달 전까지 내 생각은 내 생각이었다. 고온 초전도와 관련된 것은 무엇입니까?” Damascelli가 말했다. "이것은 이러한 현상이 같은 상호 작용을 피한다고 말합니다."
결합 된 쌍둥이
많은 이론가들은 두 현상 모두 반 강자성이라 불리는 양자 기계적 효과에 의해 야기된다고 생각합니다. 이는 이웃 전자가 반대 방향으로 회전하는 일부 재료의 경향입니다. 이 효과는 전자의 체스 판 패턴을 위쪽 및 아래로 회전시키는 전자 패턴을 설정합니다. 체스 보드의 대각선을 따라 제곱이 같은 색상을 가진 것처럼 45도 각도를 따라 위치한 전자는 같은 방식으로 회전합니다.
반 강자성은 오랫동안 고온 초전도성을 담당하는 가장 가능성있는 작용제 중 하나로 여겨져왔다. 이 아이디어의 지지자들은 힘 커플 링 전자가 본질적으로 반대로 회전하는 이웃 사이의 매력이라고 주장한다. 이것은 전자 쌍이 결정 격자의 추기경 방향을 따라 항상 형성되는 이유를 설명하지만 또 다른 D- 파 배열 인 대각선을 따라 가지 않습니다. 초전도성 의이 잘 알려진 D- 파 특성은 전하 밀도 파의 것과 약간 다릅니다. 그러나 Sachdev와 그의 공동 작업자가 발전했다는 이론에서“우리는 두 개의 D 파가 실제로 서로 연결되어 있음을 발견했습니다.”
.2010 년 Sachdev와 그의 학생 Max Metlitski는 반 강자성이가 전자뿐만 아니라 전자와 "구멍"또는 전자가 존재하지만 누락 된 원자 궤도의 장소에 짝을 이룰 수 있음을 수학적으로 보여주었습니다. 전자 구멍 쌍은 전자 쌍이 초전도의 빌딩 블록 인 것처럼 전하 밀도파의 기본 빌딩 블록으로 널리 알려져 있습니다. 또한 2013 년 7 월 Sachdev와 다른 학생 인 Rolando La Placa는 결과 전자 구멍 쌍이 D 파 형태로 자신을 배열 할 것이라는 것을 보여주었습니다.이 경우 Davis의 최근 실험에서 관찰 된 종류
.요컨대, 반 강자성은 초전도성과 경쟁자, 전하 밀도 파의 D- 파 패턴을 생성 할 수 있습니다.
케임브리지 대학교의 물리학자인 Suchitra Sebastian은“반 강자성은 전하 밀도파와 초전도성의 부모 상태라는 것이 합리적입니다. "우리가 지금까지 알고있는 많은 주요 측면은 그것과 일치하며, 무슨 일이 일어나고 있는지에 대한 설명 일 가능성이 매우 높습니다."
.호프만은 Sachdev의 새로운 프레임 워크를“아름다운 설명 이론”이라고 불렀습니다. 그러나 그녀는 충전 밀도 파의 균형과 초전도성이 온도, 자기장 또는 cuprate의 유형에 따라 어떻게 변하는지를 예측하기에 충분히 세련되지 않았다고 지적했다. "궁극적 인 목표는 물론 새로운 재료와 새로운 기술을 허용하는 예측 이론입니다."라고 그녀는 말했습니다.
스탠포드 대학교 (Stanford University)의 이론 물리학자인 스티브 키 벨슨 (Steve Kivelson)은 반 유사성 상원, 전하 밀도 파 및 초전도성을 함께 연계시키는 다른 이론은 20 년 동안 세 가지 현상이 얽혀있을 수 있다고 주장했다. Kivelson은 그들의 관계에 대한 올바른 이론은 정착되지 않았으며, 가장 큰 발전은 실험 측면에있다.“아마도 실험에 더 집중해야한다고 생각한다.”
.Sachdev의 이론 (또는 다른)이 옳은 것으로 판명 되더라도, 재료 과학자들이 초전도성에서 열을 크게 전환 할 수있는 방법을 찾을 수 있는지 여부는 여전히 남아 있습니다. 단순히 불가능할 수 있습니다. 그러나 최근 몇 년 동안,이 과학자들은 자연의 원료에서 손잡이를 조정하는 데 매우 성공적이었습니다. 데이비스는“그들은 보통 기적적이다
Sachdev의 이론은 제안합니다. 전자-전자 및 전자 구멍의 두 가지 유형의 쌍은 반 강자성 자의 결과 일 가능성이 높으므로 상호 작용의 강도를 변화시키는 것은 전하 밀도 파에 대한 초전도성이 지배하는 데 도움이되지 않을 것입니다. 그러나 쌍 사이에는 다른 차이가 있습니다 (예 :전자 구멍 쌍은 Cuprate 격자를 통해 더 느리게 움직입니다. 재료의 특정 특성을 변경하면이 느린 발동기를 죽일 것입니다. Sachdev는이 속성을 조정하는 방법은“분명히 우리가 생각하는 질문”이라고 말했습니다.
다른 연구자들은 전하 밀도 파에서 초전도성이 지배하는 온도 범위를 늘리는 방법에 대한 자신의 아이디어를 가지고 있습니다. 일부는 자신의 접근 방식을 거부했습니다. 호프만은이 분야의 경쟁력을 설명하면서“상이 너무 큽니다. "누군가가 실내 온도 초전도체를 발견한다면, 그것은 개인적인 명성의 관점에서, 인류에 대한 선물, 명성과 유산 측면에서 거대합니다."
초전도성을 실온으로 상승시키는 가장 큰 장점은 접근성입니다. 레이저와 컴퓨터가 예기치 않게 인터넷을 산출 한 것처럼, 초전도성의 많은 용도는 여전히 알려지지 않았을 것입니다. 요점은 기술을 이용할 수있게하고 어떤 일이 일어나는지 확인하는 것입니다. Taillefer는“현재 실험실에는 초전도성을 속이는 고도로 전문화 된 사람들이 많이 있습니다. “그것은 당신이 원하는 것이 아닙니다. 당신은 지구 전체가 초전도로 바보를 원합니다.”
