В течение более чем 20 лет с момента открытия высокотемпературной сверхпроводимости ученые спорили о физическом механизме, лежащем в основе этого экзотического явления, которое может произвести революцию в сетях распределения электроэнергии.
Они долго спорили о происхождении того, что некоторые считают микроскопическим «клеем», который связывает электроны в пары, так что они легко скользят, преодолевая их обычное отталкивание в типичных металлах. Это магнетизм или вибрации в решетчатой структуре материала или что-то еще?
Теперь провокационные результаты, полученные в результате двухлетних экспериментов, проведенных в Принстонском университете, заставили группу ученых заявить, что высокотемпературная сверхпроводимость не зависит от волшебного клея, связывающего электроны вместе. Секрет сверхпроводимости, говорят они, может заключаться в способности электронов использовать свое естественное отталкивание в сложной ситуации.
Сообщая в выпуске журнала Science от 11 апреля, команда обнаружила неожиданную связь между поведением электронов, когда они объединяются в пары - ключевое требование для сверхпроводимости - и когда электроны отталкиваются друг от друга при температурах далеко выше критической температуры, при которой материал становится сверхпроводником. Их эксперименты показали, что электроны проявляют характерное поведение при отталкивании друг друга, что, как ни странно, указывает на их особый талант к спариванию и течению без сопротивления, когда эти сложные материалы охлаждаются до низких температур.
«Похоже, что электроны с самым сильным отталкиванием в одной ситуации лучше всего проявляют сверхпроводимость в другой», - сказал Али Яздани, профессор физики в Принстоне и старший автор статьи. «Это нелогично, но именно это и происходит».
Высокотемпературные сверхпроводники - это керамические материалы, которые могут проводить электричество на огромные расстояния без потери энергии. Они также относительно дешевы в производстве и обладают огромным потенциалом во многих областях техники.
Сверхпроводимость была впервые обнаружена в ртути в 1911 году голландским физиком Хайке Камерлинг-Оннесом. Когда он охладил материал до температуры жидкого гелия, 4 градуса Кельвина (-452F, -269C), его сопротивление внезапно исчезло. Ученые в более поздние годы пришли к пониманию низкотемпературной сверхпроводимости как явления, которое происходит, когда электроны взаимодействуют с колебаниями структуры решетки материала и объединяются в пары, которые могут проходить через проводник, не рассеиваясь на атомах.
Оксид меди, «высокотемпературные» сверхпроводники, интенсивно изучаемые с момента их открытия в 1986 году, могут становиться сверхпроводящими при более высоких температурах, чем старые материалы - примерно до 150 Кельвинов (-253F, -123C) - делает их более интересными для промышленности. Их можно охлаждать жидким азотом, который дешевле жидкого гелия. Но связываются ли электроны в этих материалах, задавались вопросом ученые, таким же образом, как и в низкотемпературных материалах?
Команда с новыми результатами определила, что это не так.
Выводы были получены в результате попытки отследить физические индикаторы микроскопического «клея», который, как известно, в случае низкотемпературных сверхпроводников проявляется в тонких измерениях квантовых свойств сверхпроводящих электронов. В 1960-х годах ученые Bell Laboratories в Нью-Джерси, проводя такие эксперименты, с несомненностью доказали, что колебания решетки связывают электроны, открывая им путь для движения в низкотемпературных сверхпроводниках.
До сих пор ученым не удавалось повторить эксперименты Bell Labs с высокотемпературным сверхпроводящим материалом. Особенно сложно было подготовить керамические проводники, состоящие из пяти различных элементов, для таких точных измерений. Исследователи обнаружили, что невозможно выполнить аналогичные измерения на кристаллах самого высокого качества без нарушения их сверхпроводящих свойств. Команда из Принстона добилась успеха, применив новый подход и использовав специализированный сканирующий туннельный микроскоп с уникальными возможностями отслеживания. Этот метод позволил исследователям сосредоточить свое внимание на одном и том же атоме, поскольку электроны, движущиеся в образце, перешли от отталкивания друг друга при высоких температурах к спариванию при низких температурах..
Другие недавние поиски «клея» в микроскопической сфере с использованием различных методов дали противоречивые данные. «Это очень спорный вопрос, отчасти из-за сложности материала, который имеет различную химическую структуру на атомном уровне», - сказал Яздани.
«Мы обнаружили, что традиционные признаки того, что некоторые могут назвать «клеем», существуют - мы можем измерить их с высокой точностью в атомном масштабе», - добавил он. «Однако они, похоже, не контролируют формирование сверхпроводящих пар. Они больше похожи на зрителей».
Развив способность измерять с высокой точностью то, как природа позволяет формироваться электронным парам, команда, в которую входили научный сотрудник Абхай Пасупати и аспиранты Аакаш Пушп и Кенджиро Гомес, искали, есть ли другие типы экспериментальных подписи, которые могли бы дать ключ к разгадке механизма спаривания. Их микроскоп дал им большое преимущество, поскольку он позволил им визуализировать квантовое поведение электронов в этих сложных материалах с различной химической структурой в атомном масштабе. К своему удивлению, они обнаружили, что те атомы образца, в которых электроны проявляют признаки более сильного отталкивания друг от друга - при очень высокой температуре - образовывали наиболее прочно связанные пары электронов при низких температурах. Это наблюдение противоречит поведению электронов в низкотемпературных сверхпроводящих материалах, в которых электрон-электронное отталкивание не способствует спариванию электронов и сверхпроводимости.
Они обнаружили, что когда образцы были нагреты до очень высоких температур, при которых электроны больше не образовывали пары, электроны, которые были сверхпроводящими при более низких температурах, проявляли уникальные квантовые свойства при более высоких температурах, указывая на то, что они обладали чрезвычайно сильными силами отталкивания.
В отличие от электронов, изученных в низкотемпературных сверхпроводящих материалах, электроны в высокотемпературных сверхпроводниках, которые, скорее всего, легко соединятся и текут, сильнее всего отталкивают другие электроны, когда окружающая среда не способствует сверхпроводимости.
Хотя эти эксперименты сами по себе не могут положить конец 20-летним спорам о том, что вызывает высокотемпературную сверхпроводимость, у них есть по крайней мере один давний сторонник важности электрон-электронного отталкивания в механизме, уделяющий пристальное внимание.«Данные - это золотая жила, которую мы только начинаем использовать», - сказал Филип Андерсон, почетный профессор физики Джозефа Генри из Принстона, получивший Нобелевскую премию по физике в 1977 году и не участвовавший в исследованиях.
Ученые изучили соединение, состоящее из стронция, висмута, кальция и оксида меди. Они использовали специально оборудованный сканирующий туннельный микроскоп с таким маленьким зондом, что его кончик имеет ширину в один атом. Расположенное на волосок над образцом, устройство может перемещаться с шагом меньше атома и измерять ток, протекающий между наконечником и поверхностью.
В команду также входили другие исследователи из Принстона, Университета Иллинойса-Урбана/Шампейн и Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США, а также Университета Осаки и Центрального научно-исследовательского института электроэнергетики в Японии..
Принстонские ученые работали в Принстонской лаборатории наномасштабной микроскопии, ультрасовременной лаборатории со сверхнизким уровнем шума, построенной на месте старого циклотрона в подвале Jadwin Hall. Яздани и его группа изучают физику конденсированного состояния в поисках простых, объединяющих объяснений сложных явлений, наблюдаемых в жидкостях и твердых телах.
Ученые надеются, что результаты помогут решить 20-летнюю загадку, а также могут активизировать усилия по поиску новых разновидностей материалов, которые становятся сверхпроводящими при все более высоких температурах. Такие материалы могли бы воплотить в жизнь мечту о новом электрическом мире с мощными компьютерами, поездами на магнитной подушке и сверхэффективными линиями электропередачи.
Работа была поддержана Управлением фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США и Национальным научным фондом через Принстонский центр сложных материалов.