수십 년 동안, 크리스탈 가족은 물리학 자들이 초전도, 즉 저항없이 전류를 운반하는 다른 재료보다 훨씬 따뜻한 온도에서 전류를 운반하는 능력을 가지고 있습니다.
이제, 제조업의 실험 몇 년은 이러한 결정 중 하나에서 원자 규모에서 초전도성을 직접 시각화하여 마침내 현상의 원인이 거의 모든 사람의 만족에 대한 원인을 드러 냈습니다. 전자는 미스터리 자체만큼이나 오래된 이론에 의해 처음 제안 된 방식으로 서로를 마찰이없는 흐름으로 깎아내는 것처럼 보입니다.
하버드 대학교의 물리학자인 Subir Sachdev는“이 증거는 정말 아름답고 직접적입니다.
옥스포드 대학교 (University of Oxford)에서 새로운 실험을 이끌었던 J. C. Séamus Davis는“저는이 문제를 해결했으며 25 년 동안 해결하기를 바랍니다. "나는 절대적으로 기뻐요."
새로운 측정은 이론에 근거한 예측과 일치하며, 이는 초전도성을 SuperexChange라고 불리는 양자 현상에 대한 초전도성을 나타냅니다. 캐나다 셔 브룩 대학교 (University of Sherbrooke)의 물리학자인 André-Marie Tremblay와 작년에 예측을 한 그룹의 리더 인 André-Marie Tremblay는“정량적 합의에 놀랐습니다.
이 연구는 해당 분야의 다년생 야망을 발전시킵니다. 더 높은 온도에서 초전도 전기를 사용할 수있는 세계적으로 변화하는 재료를 설계하기 위해 Cuprate Superconductivity를 취하고 기본 메커니즘을 강화하는 것입니다. 객실-온도 초전도성은 일상적인 전자 제품, 전력선 등에 완벽한 효율성을 가져다 줄 것이지만, 목표는 먼 곳으로 남아 있습니다.
.Davis는 Superexchange 이론을 언급하면서“이 이론의 이론이 정확하다면 임계 온도가 더 높은 위치에 다른 원자를 가진 합성 물질을 설명 할 수 있어야한다”고 말했다.
두 접착제
물리학 자들은 1911 년에 처음 관찰 된 이후 초전도성으로 어려움을 겪었습니다. 네덜란드 과학자 인 Heike Kamerlingh Onnes와 공동 작업자는 약 4 개의 켈빈 (즉, 절대 제로보다 4도)으로 수은 와이어를 식히고 전기 저항이 0으로 넘어지면서 놀랍게 지켜 보았습니다. 전자는 원자와 충돌했을 때 열을 생성하지 않고 와이어를 통해 방향으로 방해를 받았습니다. 저항의 기원. 데이비스는“평생 노력의 노력이 필요하다”고 말했다.
1950 년대 중반의 주요 실험 통찰력을 바탕으로 John Bardeen, Leon Cooper 및 John Robert Schrieffer는 1957 년 에이 기존의 초전도성에 대한 노벨상 우승 이론을 발표했습니다. 오늘날 알려진 바와 같이 BCS 이론은 Atoms의“홍조”전자를 함께 움직이는 진동을 가지고 있습니다. 음으로 하전 된 전자가 원자 사이에 날아가는 것은 양으로 하전 된 원자 핵을 그쪽으로 끌어 당겨 잔물결을 내립니다. 그 잔물결은 두 번째 전자를 끌어냅니다. 치열한 전기 반발을 극복 한이 두 전자는 "쿠퍼 쌍"을 형성합니다.
.독일의 Karlsruhe Institute of Technology의 물리학자인 Jörg Schmalian은“이것은 자연의 진정한 속임수입니다. "이 쿠퍼 쌍은 일어나지 않을 예정입니다."
전자가 결합 될 때, 더 많은 양자 속임수는 초전도성을 피할 수 없게 만듭니다. 일반적으로 전자는 겹칠 수 없지만 쿠퍼 쌍은 다른 양자 기계 규칙을 따릅니다. 그들은 빛의 입자처럼 작용하며, 그 중 어느 것도 핀의 머리에 쌓을 수 있습니다. 많은 쿠퍼 쌍이 모여서 단일 양자 기계 상태 인“초 유체”로 합쳐지며, 그 사이에 전달되는 원자를 잊어 버린다.
.BCS 이론은 왜 수은과 대부분의 다른 금속 요소가 절대 제로에 가까워 졌을 때 초전도를했는지에 대해 설명했다. 원자 잔물결은 가장 약한 접착제를 만듭니다. 열을 올리면 원자가 흔들리고 격자 진동을 씻어냅니다.
그런 다음 1986 년 IBM 연구원 인 Georg Bednorz와 Alex Müller는 Cuprates에서 더 강한 전자 접착제에 걸려 넘어졌습니다. 다른 요소의 층 사이에 산재 된 구리 시트와 산소로 구성된 결정. 그들이 30 개의 켈빈에서 cuprate superconducting을 관찰 한 후, 연구원들은 곧 다른 사람들이 100 이상, 그리고 130 개의 켈빈 이상을 발견했습니다.
이 돌파구는이 "고온"초전도성을 담당하는 더 강력한 접착제를 이해하기위한 광범위한 노력을 시작했습니다. 아마도 전자가 함께 묶여 고르지 않고 파문적인 전하 농도를 만듭니다. 또는 양자 크기의 자석과 같이 특정 방향으로 오리엔테이션하는 전자의 고유 특성 인 스핀을 통해 상호 작용했을 수도 있습니다.
압축 물리학의 미국 노벨상 수상자이자 만능 전설 인 필립 앤더슨 (Philip Anderson)은 고온 초전도성이 발견 된 지 몇 달 만에 이론을 제시했다. 그는 접착제의 핵심에서 전자의 홉 능력으로 인해 발생하는 Superexchange라는 이전에 묘사 된 양자 현상을 놓았다. 전자가 여러 위치 사이에서 뛰어들 수 있으면, 어느 순간에 그들의 위치는 불확실 해지고, 운동량은 정확하게 정의됩니다. 더 선명한 운동량은 더 낮은 운동량이 될 수 있으며, 따라서 입자가 자연스럽게 찾는 저에너지 상태가 될 수 있습니다.
결론은 전자가 그들이 뛰어 다닐 수있는 상황을 찾는다는 것입니다. 예를 들어, 이웃이 가리킬 때 전자가 가리키는 것을 선호합니다. 예를 들어,이 차이로 인해 두 전자가 동일한 원자 사이를 뛰어 다니도록합니다. 이러한 방식으로, SuperexChange는 일부 재료에서 전자 스핀의 정기적 인 상향 감각 패턴을 설정합니다. 또한 전자가 일정 거리를 유지하기 위해 전자를 깎아냅니다. 앤더슨이 강한 쿠퍼 쌍을 형성 할 수 있다고 믿었던 것은이 효과적인 매력입니다.
실험 주의자들은 앤더슨과 같은 이론을 테스트하기 위해 오랫동안 고군분투했다. 반사성이나 저항과 같이 측정 할 수있는 물질적 특성은 쌍이 아닌 전자 조만의 집단 행동에 대한 조잡한 요약만을 제공했기 때문이다.
.Davis는“응축 물질 물리학의 전통적인 기술 중 어느 것도 이와 같은 문제를 해결하도록 설계되지 않았다”고 Davis는 말했다.
슈퍼 경험
옥스포드, 코넬 대학교, 대학교 코르크 및 Dresden의 양자 재료 화학 및 물리학을위한 International Max Planck Research School의 실험실이있는 아일랜드 물리학자인 Davis는 원자 수준에서 cuprates를 면밀히 조사 할 수있는 도구를 점차적으로 개발했습니다. 초기 실험은 초전도성이 시작된 임계 온도에 도달 할 때까지 재료의 초전도성의 강도를 측정했습니다. 더 따뜻한 온도는 더 강한 접착제를 나타냅니다. 그러나 지난 10 년 동안 Davis의 그룹은 개별 원자 주위의 접착제를 제한하는 방법을 개선했습니다.
그들은 스캐닝 터널링 현미경이라는 확립 된 기술을 수정하여 바늘을 표면을 가로 질러 끌어내어 둘 사이에 달리기 전자의 전류를 측정합니다. 초전도 팁을 위해 바늘의 정상 금속 팁을 교체하고 큐프레트를 가로 질러 청소함으로써 개체가 아닌 전자 쌍의 전류를 측정했습니다. 이를 통해 각 원자를 둘러싼 쿠퍼 쌍의 밀도를 매핑 할 수 있습니다. 그들은 자연에서 쿠퍼 쌍의 떼의 첫 번째 이미지를 출판했습니다 2016 년.
같은 해, 중국 물리학 자의 실험은 앤더슨의 초자연적 이론을 뒷받침하는 주요 증거를 제공했습니다. 그들은 주어진 요리에서 구리와 산소 원자 사이에서 전자가 더 쉬울수록 Cuprate의 임계 온도가 높을수록 더 쉽다는 것을 보여주었습니다. Davis와 그의 동료들은 단일 Cuprate Crystal의 두 접근법을 결합하여 접착제의 본질을보다 결정적으로 드러내려고했습니다.
“아하”순간은 2020 년에 줌을 통한 그룹 회의에서 나왔다고 그는 말했다. 연구원들은 Bismuth Strontium 칼슘 구리 구리 (BSCCO 또는“Bisko”)라고 불리는 cuprate가 꿈의 실험을 가능하게하는 독특한 특징을 가지고 있음을 깨달았습니다. BSCCO에서, 구리 및 산소 원자의 층은 주변 원자 시트에 의해 물결 모양의 패턴으로 압착된다. 이것은 특정 원자 사이의 거리가 다양하며, 이는 차례로 뛰어 들기 위해 필요한 에너지에 영향을 미칩니다. 이 변형은 격자를 좋아하는 이론가들에게 두통을 일으키지 만 실험가들에게 필요한 것을 정확하게 주었다 :하나의 샘플의 호핑 에너지의 범위
.그들은 금속 팁으로 전통적인 스캐닝 현미경을 사용하여 전자를 일부 원자에 붙잡고 다른 원자로부터 뽑아 내기 에너지를 깎아 내기 에너지를 매핑했습니다. 그런 다음 각 원자 주위의 쿠퍼 쌍의 밀도를 측정하기 위해 Cuprate 팁으로 교환했습니다.
두 개의지도가 줄을 섰습니다. 전자가 홉에 고군분투 한 경우 초전도는 약했습니다. 호핑이 쉬운 곳에서 초전도성은 강했습니다. 호핑 에너지와 쿠퍼 쌍 밀도 사이의 관계는 Tremblay와 동료들에 의해 2021 년의 정교한 수치 예측과 밀접하게 일치했으며,이 관계는 앤더슨의 이론에서 따라야한다고 주장했다.
.SuperexChange Super Glue
Davis의 호핑 에너지는 이번 달 National Academy of Sciences 의 절차에 발표 된 초전도성 강도와 관련이 있다는 Davis의 발견 , SuperExChange가 고온 초전도를 가능하게하는 슈퍼 접착제임을 강력하게 암시합니다.
프린스턴 대학의 물리학자인 알리 야즈다니 (Ali Yazdani)는“이 아이디어는 다리가 있음을 보여주는 새로운 기술을 가져 오기 때문에 좋은 작품입니다.
그러나 Yazdani와 다른 연구자들은 다른 이유로 잠금 장치에서 그 접착제 강도와 호핑의 용이성이 여전히있을 가능성이 여전히 남아 있으며,이 필드가 고전적인 상관 관계 평등-제조 트랩에 빠지고 있다고 경고합니다. Yazdani의 경우 인과 관계를 증명하는 진정한 방법은 SuperexChange를 활용하여 화려한 새로운 초전도기를 엔지니어링하는 것입니다.
“완료되면 t c 를 늘리십시오 그는 임계 온도를 언급하면서 말했다.
superexchange는 새로운 아이디어가 아니기 때문에 많은 연구자들이 이미 구리와 산소 격자를 더욱 낭비하거나 다른 요소 쌍을 실험함으로써 그것을 강화하는 방법에 대해 이미 생각했습니다. Tremblay는“테이블에 이미 예측이 있습니다
물론, 원자 청사진을 스케치하고 연구자들이 원하는 것을 수행하는 재료를 설계하는 것은 빠르거나 쉽지 않습니다. 더욱이, 맞춤형 요리조차도 우리가 이미 알고있는 Cuprates의 온도보다 훨씬 높은 온도를 달성 할 것이라는 보장은 없습니다. Superexchange의 강도는 원자 진동이 보이는 것처럼 단단한 천장을 가질 수 있습니다. 일부 연구자들은 완전히 다른 유형의 접착제에 대한 후보자를 조사하고 있습니다. 다른 이들은 전통적인 원자 진동을 강화하기 위해 미세한 압력을 활용합니다.
그러나 Davis의 결과는 Cuprate Superconductors를 더 높이 올리는 것을 목표로하는 화학자 및 재료 과학자의 노력에 활력을 불어 넣고 집중할 수 있습니다.
Schmalian은“자료를 디자인하는 사람들의 창의성은 무한합니다. "메커니즘이 옳다는 확신이 높을수록 이것에 더 많은 투자를하는 것이 더 자연 스럽습니다."
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