Süperiletken "Küçük Çağ" No. 26: Şüpheden kurtulmanın yolu yok
Kalabalık onu binlerce kez aradı ve aniden arkasına baktı, ama kişi oradaydı, loş bir şekilde aydınlatılmıştı. Güney Song Hanedanı · Xin Qiji "Qingyu Vakası · Yuan Xi"
Başka bir deyişle, arenada yürümek istemsizdir. Korkmaktan en çok endişe duyan, birinin tanıdıklarla tanışması ve ne yapacağını bilememesi, diğeri ise dağlarda kaybolup nereye gideceğini bilmemektir. Şanslı olanlar bir anda Şeftali Çiçeği Pınarı ile karşılaşabilir; talihsiz olanlar vadiye düşerek parçalara ayrılabilir veya dağlardaki hayvanlar tarafından yutulabilir. Birden fazla dağın ve nehrin ortasında, hiç kimse söğütlerin karanlıkta olduğu zamanı düşünmemiştir (Şekil 1). Elbette, hayat her zaman insanlarla saklanmayı ve aramayı sever, böylece sürekli yolculukta, çıkış yolunu unutun, ara sıra hayal kırıklığı içinde tatmin peşinde koşun ve uykudaki ayıklığın ıstırabını dindirin, ancak loş ışıklarda dolaşıyor.
Şekil 1 Sun Wenbo'nun "Dağlar ve Sular" resmi (sunwenbo.artron.net'ten)
Önceki bölümlerde, bakır oksit yüksek sıcaklık süperiletken malzemelerdeki karmaşık fiziksel olayları farklı perspektiflerden gördük.Bir dereceye kadar, fizikçilerin mevcut biliş ve kontrol yeteneklerinin bile ötesinde. Yıllarca süren sıkı çalışmalardan sonra, birçok bilim insanı yüksek sıcaklıkta süperiletkenlikle ilgili araştırmalardan bile vazgeçti.Bazıları başka alanlara taşındıktan sonra büyük başarılar elde etti ve bazıları hayatlarını belirsizlik içinde yaşadı. Yüksek sıcaklık süperiletkenliğinin zorluğu yalnızca fiziksel fenomenin anlaşılmasının zor olması değil, aynı zamanda fiziksel fenomeni anlama sürecinin de zorluklarla dolu olmasıdır. Örneğin: Aynı fiziksel özellik için, deneysel ölçüm sonuçları çok farklı olabilir ve bazen aynı numune için aynı ölçüm yöntemi bile taban tabana zıt sonuçlara yol açar. Başka bir örnek: Teorinin deneysel veriler konusunda çok farklı bir anlayışı var On bin teorik fizikçi, verilerin sadece bir kopyası olsa bile, on bin set yüksek sıcaklık süperiletkenlik teorisine sahiptir. Basitçe söylemek gerekirse, deneysel sonuçlar karmaşıktır, teorik açıklamalar çeşitlidir ve yüksek sıcaklıkta süperiletkenlik mikro mekanizmasının yolu, dağların ve nehirlerin dirilişinde derinden gizlidir, bu da arenadaki ustaların dalga dalga dalga keşif çalışmalarında kendilerini kurtarmalarını zorlaştırır. Neyse ki, bu kadar fakir dağlarda ve sularda bile, fizikçiler görünüşte erişilebilir birkaç yol bulmak için mücadele ettiler ve görünen o ki, yüksek sıcaklık süperiletkenliği mekanizmasını tam olarak anlamaktan çok da uzak değil.
Yüksek sıcaklıkta süperiletkenliğin nasıl üretildiği konusundaki önemli soruyu yanıtlamak için, ilk soru şudur: bakır oksit yüksek sıcaklık süperiletkeninde, süperiletkenlikten hangi taşıyıcı sorumludur? Hala uyumlu bir Cooper Electronics mi? Cevap% 100 evet. Alışılmadık süperiletkenlerin çoğu ikinci tip süperiletkenlerdir.Malzemede bir birim kuantum manyetik akı girdabı gözlemlenebiliyorsa, bu onların eşleşmiş elektronlar şeklinde oldukları anlamına gelmelidir. Bir akı kuantumu h / 2e'ye eşit olduğundan, birlikte dairesel bir akım oluşturmak için en az iki elektron gerekir. Bakır oksit yüksek sıcaklık süperiletkeninde, kuantum manyetik akı girdabı deneysel olarak doğrudan gözlemlenebilir ve Cooper çiftinin varlığı doğrudur (bu serinin 22. bölümüne bakın: Kullanımı zor olmak için doğmuş). Aslında, bu sadece yüksek sıcaklıklı süperiletkenler değildir. Şimdiye kadar keşfedilen neredeyse tüm süperiletkenler, elektrik iletmek için Cooper çiftlerine güveniyorlar. İnsanlar yardım edemez ama Cooper'ın görüşlerini iç çekiyor!
İkinci soru şudur: İletim bayrağını taşıyan Cooper elektron çifti olduğuna göre, bu nasıl bir Cooper çifti? Aslında, bunun bükülmüş d dalgası Cooper çifti olduğundan daha önce bahsetmiştik (bu dizinin 24. bölümüne bakın: Siste Çiçekleri Görmek). Yüksek sıcaklık süperiletkenlerindeki Cooper çifti, artık her yerde aynı cinsiyetten geleneksel metal süperiletkenlerde masum s-dalgası Cooper çiftleri grubu değil, süslü ve ara sıra kaybolan d-dalgası Cooper çiftleri. Cooper elektron çiftinin enerji boşluğu, uzayda belirli konumlarda sıfır düğüme sahiptir ve fazlar hala sıfır olmayan bölgelerde çapraz gelişir. D-dalgası eşleşmesini doğrulamak için birçok deneysel yöntem vardır En doğrudan kanıt, kuantum manyetik akısının yarısının h / 4e yüksek sıcaklık süperiletkenlerinin üç tane sınırında gözlemlenmesidir. D-dalgası çifti, farklı kristal oryantasyonları altında aynı anda boyut ve faz olarak değiştiğinden, üçgen bir çit oluşturduktan sonra, kuantum girişim etkisine bağlı olarak yarı tamsayı bir manyetik akı kuantumu oluşacaktır. Bu çok karmaşık deney Çinli fizikçi CC Tsuei (Cui Changqi) tarafından başarıyla uygulandı, tartışmasız gerçeklerle d-dalgası eşleşmesinin varlığını kanıtladı ve o dönemde yüksek sıcaklık süperiletkenlerinin aşırı kaotik simetri tartışmasına açık bir yol açtı. (şekil 2).
Şekil 2 Üç tane sınırındaki akı kuantumunun yarısı (www.kirtleyscientific.com'dan)
Üçüncü soru şudur: Cooper çiftinin enerji açığı nasıl oluşur? Bu sorunun kesin bir cevabı yok. Cooper çiftinin enerji açığının d dalgası olduğunu bilmemize rağmen, enerji açığının nereden geldiğini bilmiyoruz. En büyük sorunlardan biri, sözde enerji boşluklarının varlığıdır. Süperiletken enerji boşluğuna ek olarak, sözde enerji boşluğu süperiletken enerji boşluğuyla ilişkili süperiletken sıcaklığın çok üzerinde mi oluşuyor? Süperiletkenliğin başlangıcı mı? Sözde enerji boşluğu ve süperiletken enerji açığı, çoğu durumda benzer d-dalgası özelliklerine sahiptir, bunlar aynı enerji boşluğunun farklı tezahürleri mi? Sözde enerji boşluğu genellikle Fermi yayının üzerinde görünür Sistemin elektronik durum davranışı üzerinde nasıl bir etkisi vardır? Sözde enerji boşluğunun evrimini ve dopingle süperiletken enerji boşluğunu dikkatlice ölçün ve süperiletken enerji boşluğunun temelde kritik sıcaklıkla orantılı olduğunu göreceksiniz, ancak sözde enerji boşluğu dopingdeki artışla tamamen azalır, bu da onları gösteriyor gibi görünüyor Aynı şey değil (Şekil 3). İki erkek kardeş, bir annenin iki çocuğu gibiler, birbirlerine benziyorlar, ama tam olarak aynı değiller. Bakır oksit yüksek sıcaklık süperiletkenlerinde çeşitli elektronik düzen durumlarının derinlemesine incelenmesiyle, insanlar sözde enerji boşluğunun sistemdeki yük yoğunluğu dalgaları gibi diğer düzenli durumlardan kaynaklandığını düşünme eğilimindedir, ancak tartışma hala devam etmektedir. .
Şekil 3 Bakır oksit yüksek sıcaklık süperiletkenlerinde sözde enerji boşluğu ve süper iletken enerji boşluğu (www.nature.com'dan)
Dördüncü soru şudur: Cooper çiftleri nasıl süper iletken bir duruma dönüşür? Cooper çiftleri tek başına bir süperiletkenlik fenomeni oluşturmak için yeterli değildir.Tüm Cooper çiftlerinin süperiletken akımlar (süper akımlar olarak adlandırılır) oluşturmak için faz uyumlu olması, birleşmeleri ve yeterince düşük enerjili bir konfigürasyona yoğunlaşması gerekir. Geleneksel metal süperiletkenlerde, Fermi yüzeyine yakın tüm elektronlar bir enerji boşluğuna sahip bir süperiletken durumda eşleştirildiği için, süperiletkenlerin yoğunluğu (süper akım yoğunluğu) çok yüksektir. Şu anda, kritik sıcaklık, süperakışkan yoğunluğu ile değil, süperiletken enerji boşluğunun boyutuyla doğru orantılıdır. Bununla birlikte, yüksek sıcaklık süperiletkenlerinde, enerji boşluklarının dağılımı genellikle kaotiktir.Çoğu durumda, enerji boşluğu ile kritik sıcaklık arasındaki ilişki düzensizdir. Şu anda, kritik sıcaklık ile en doğrudan ilişki, kritik sıcaklık ile basitçe orantılı olan süperakışkan yoğunluğudur. Başka bir deyişle, süper iletken elektronların konsantrasyonu ne kadar yüksekse, karşılık gelen süper iletken kritik sıcaklık o kadar yüksek olur. Bu fenomen, Uemura ölçeği ilişkisi veya Uemura diyagramı olarak da bilinen Yasutomo J. Uemura (Uemura) tarafından önerildi. Sonraki araştırma sonuçları şaşırtıcı bir şekilde, Uemura ilişkisinin neredeyse tüm bakır oksit yüksek sıcaklık süper iletken malzemelerinde kurulduğunu, aşırı katkılı bölgeye girse bile kritik sıcaklığın süper akışkan yoğunluğu ile orantılı olduğunu buldu. Daha da şaşırtıcı olanı, ağır fermiyon süperiletkenlerinin ve C60 süper iletkenlerinin bile bu basit ölçekli ilişkiyi karşılamasıdır. Süperakışkan yoğunluğu Fermi hızına dönüştürülürse, düşük sıcaklıkta süperakışkan haline giren sıvı helyum temelde bu ilişkiyi karşılar (Şekil 4)! Uemura ilişkisi sayesinde, süperiletkenlerin temelde bu ilişkinin karşılanıp karşılanmadığına göre iki ana gruba ayrılabileceği bulunabilir: geleneksel metal süperiletkenler, yüksek süper akım yoğunluğuna ve nispeten düşük kritik sıcaklığa sahiptir. Bunların tümü, BCS teorisi ile anlaşılabilen geleneksel süperiletkenlerdir; diğerleri Bir süper iletkenin süper akım yoğunluğu, temel olarak kritik sıcaklığı belirler ve alışılmadık bir süper iletkendir. Bu ilişki aynı zamanda, daha yüksek bir kritik sıcaklığa sahip bir süperiletken aramanın, geleneksel olmayan süperiletkenler arasında yüksek süper akım yoğunluğuna sahip olanları bulmayı gerektirdiği anlamına gelir.Bunlar için, bir birim hacimde ne kadar süper iletken Cooper çiftleri yoğunlaşırsa, süperiletkenliğe o kadar elverişlidir. İstikrar. Bu, malzemede iletime (Fermi yüzeyine yakın) katılabilen elektron sayısı ne kadar fazlaysa, metalin o kadar iyi olduğu gerçeğine benzer. "Elektrik daha güçlüdür" denen şey de aynıdır (Şekil 5)!
Şekil 4 Süperakışkan yoğunluğu ile kritik sıcaklık arasındaki Uemura ölçeği ilişkisi (www.sciencemag.org'dan)
Şekil 5 Süperiletken elektron çifti yoğunlaşması ve Fermi yüzeyi (physics.illinois.edu'dan)
Beşinci soru şu: Cooper çifti ne zaman / sıcaklık oluştu? Bu problem, geleneksel süperiletkenlerde hiç uygun bir problem değildir. Çünkü neredeyse tüm süperiletkenlik fenomeni, soğutma sürecinde süperiletkenliğin kritik geçişinde meydana gelir. Cooper çifti oluşumu, tutarlılığı ve kümelenmesi aynı anda gerçekleşir, ancak yüksek sıcaklıklı süper iletkenlerde bu o kadar basit görünmüyor. Yüksek sıcaklıkta süper iletken malzemelerdeki süper iletken enerji boşluklarının dağılımı uzayda biraz dağınık olsa da, her küçük alanın enerji boşluklarını saymak ve ölçmek için yeterince dikkatli bakarsanız, küçük aralıklı enerji boşluklarının aslında kritik sıcaklıkta olduğunu göreceksiniz. Yukarıdakiler hala var olabilir, ancak tüm süper iletkenin kapsamı azalmaktadır. Kritik sıcaklığın üzerinde neden hala bir süper iletken enerji boşluğu var (bunun sözde enerji boşluğu olmadığına dikkat edin)? Olası tek açıklama, süperiletken kritik sıcaklığın üzerinde bir Cooper çifti olmasıdır. Bu, Nernst etki deneyi ile de doğrulanabilir, çünkü yüksek sıcaklıkta süper iletken malzemedeki Nernst sinyali, manyetik akı girdabının varlığına karşılık gelir ve çoklu bakır oksit sistemlerinde Nernst sinyalinin kaybolma sıcaklığı çok uzaktadır. Süper iletken kritik sıcaklığın üstünde (Şekil 6). Cooper çiftleri süperiletken kritik sıcaklığın üzerinde var olabilir, tıpkı elektronların ve elektronların uzun süredir birbirlerini tutamadıkları gibi buna "ön eşleşme" fenomeni denir (Şekil 7). Ön eşleştirme sıcaklığının sözde enerji boşluğu sıcaklığından daha düşük olduğuna dikkat etmek önemlidir ve sözde enerji boşluğunun oluşumunun ön eşleştirme ile ilişkili olup olmadığı net değildir.
Şekil 6 Enerji açığı dalgalanması ve süperiletken kritik sıcaklığın üzerindeki Nernst sinyali (www.nature.com ve Tsinghua Üniversitesi'nden Profesör Wang Yayu'dan)
Şekil 7 Bakır oksit yüksek sıcaklık süper iletkenlerinde "ön eşleştirme" fenomeni (davisgroup.lassp.cornell.edu'dan)
Son soru şu: Cooper çiftinin nasıl oluştuğu. Yüksek sıcaklık süperiletkenliği fenomeni aynı zamanda Cooper çiftlerinin tutarlı uyumundan geldiğine göre, Cooper çiftlerinin oluşumunu ne tür bir kuvvet yönlendirir? Kritik sıcaklığın üzerinde aracı görevi görebilir mi? Doğru d dalgasını oluşturabilir mi? Kararlı ve fazla ilgili bir takıma giderek daha fazla çift çekebilir mi? Bilim adamları bu sihirli güce Cooper çiftinin "tutkalı" diyorlar. Geleneksel süperiletkenlerde, Cooper çiftinin tutkalı kafes titreşimi kuantum fononlarıdır. Ancak yüksek sıcaklık süperiletkenlerinde, bu yapıştırıcının ne olduğu konusunda hala kesin bir cevap yoktur ve aynı zamanda yüksek sıcaklık süperiletkenlerinin mikroskobik mekanizmasında en zor sorudur. Sekiz Ölümsüz'ün teorisyenleri, büyülü güçlerini göstermek için denizi geçtiler ve bazıları çok tuhaf olan ve henüz deneylerde bulunmayan çeşitli "yapıştırıcılar" icat ettiler. Yüksek sıcaklıklı süper iletken malzemelerde, elektronlar ve elektronlar arasındaki etkileşimin enerji ölçeğinin, elektronlar ve fononlar arasındaki etkileşimden çok daha büyük olduğu yadsınamaz. Fononların yapıştırıcı formülünün bir parçası olup olmadığını tamamen ortadan kaldıramayız, ayrıca elektronlar arasındaki yük ve spin etkileşimlerinin yapıştırıcı rolünü oynayıp oynayamayacağını gerçekten belirleyemeyiz. Ünlü teorik fizikçi P.W. Anderson, daha önce ortaya koyduğu rezonans değerlik bağı teorisinde (RVB) ısrar etti ve yapışkanın varlığının veya yokluğunun hiç önemli olmadığına cesaretle inanıyordu. Elektronlar arasındaki yük etkileşimi ve spin etkileşim enerjisi elektron volt (eV) düzenindeyken, süperiletken enerji boşluğu milielektron volt (meV) düzeyindedir.Bu üç etkileşim düşük sıcaklıklarda kapatılırsa Buzdolabımda bir mamut gibi ve bir fil dolu, ayaklarının altında küçük bir fare olduğunu kimse fark etmeyecek (Şekil 8). Ya da başka bir deyişle, yeterli enerji ölçeğine sahip elektron-elektron etkileşimlerimiz var ve yüksek sıcaklıkta süperiletkenliği oluşturmak için yalnızca biraz enerji "ödünç almamız" gerekiyor. Yüksek sıcaklık süperiletkenliğinin arkasındaki ilke aslında çok basit olabilir.
Şekil 8 Anderson ve "RVB Elephant Theory" (www.sciencemag.org'dan)
Yukarıdaki altı soru, yüksek sıcaklık süperiletkenlik mekanizması üzerine yapılan araştırmanın özünü oluşturmaktadır. Yukarıdaki sorulara verilen cevapların nihai doğru cevaplar olmayabileceğini unutmamak önemlidir. 30 yıldan fazla bir süredir, yeni deneysel sonuçlar ve daha olası teorik açıklamalar ortaya çıktı ve yüksek sıcaklık süperiletkenliği konusundaki tartışmalar hiç durmadı. Dağ hala dağdır, su hala sudur, ancak kayıp deneyci kaybolur ve buluşan teorisyen yeniden buluşur. Nihai yüksek sıcaklık süperiletkenlik mikroskobik teorisi, yalnızca yukarıdaki soruları tam olarak yanıtlamakla kalmaz, aynı zamanda daha deneysel değerlendirmelere de dayanmalıdır. Gelecekte yüksek sıcaklıkta süperiletkenliğe giden yeni yol, yüksek sıcaklıkta süper iletken yeni sistemler ailesinin sürekli araştırılmasını, yeni deneysel algılama teknolojilerinin geliştirilmesini ve deneysel ölçüm doğruluğunun sürekli iyileştirilmesini ve güçlü bir şekilde ilişkili elektronik çok gövdeli sistemlerin üstesinden gelebilecek teorik bir sistemin kurulmasını gerektirir. Giderek daha fazla pratik örnekler, sürekli açık deneysel kurallar ve sağlam ve güvenilir teorik modeller, yüksek sıcaklık süperiletkenliğinin fiziksel sorununu tamamen yanıtlamıştır.
Süper iletken "Küçük Zamanlar" dizisi:
Bu makale "Physics" 2017 Sayı 12'den seçilmiştir.
