一项新的原子级实验几乎确定了铜酸盐晶体中强超导形式的起源，证实了一个已有 35 年历史的理论。
几十年来，一个晶体家族以其令人费解的超导能力——也就是说，在比其他材料高得多的温度下携带电流——让物理学家感到困惑。
现在，一项酝酿多年的实验直接在其中一个晶体的原子尺度上可视化了超导性，最终揭示了几乎所有人都满意的现象的原因。电子似乎以一种几乎与神秘本身一样古老的古老理论首次提出的方式将彼此推入无摩擦的流动中。
“这个证据非常漂亮和直接，”哈佛大学物理学家Subir Sachdev说，他建立了被称为铜酸盐的晶体理论，并没有参与实验。
“我已经研究这个问题 25 年了，我希望我已经解决了它，”牛津大学新实验的领导者JC Séamus Davis说。“我非常激动。”
新的测量结果与基于该理论的预测相匹配，该理论将铜酸盐超导归因于一种称为超交换的量子现象。“我对定量协议感到惊讶，”加拿大舍布鲁克大学的物理学家、去年做出这一预测的小组负责人安德烈-玛丽·特伦布莱 ( André-Marie Tremblay ) 说。
该研究推动了该领域的长期雄心：采用铜酸盐超导并加强其潜在机制，以设计能够在更高温度下超导电力的改变世界的材料。室温超导性将为日常电子产品、电力线等带来完美的效率，尽管目标仍然很遥远。
“如果这类理论是正确的，”戴维斯在谈到超交换理论时说，“应该可以描述在不同位置具有不同原子的合成材料”，其临界温度更高。
两种胶水
自 1911 年首次观察到超导性以来，物理学家一直在与超导作斗争。荷兰科学家 Heike Kamerlingh Onnes 及其合作者将水银线冷却至约 4 开尔文（即绝对零以上 4 度），并惊讶地看着电阻骤降至零. 电子在与原子碰撞时巧妙地穿过导线而不会产生热量——这就是电阻的起源。戴维斯说，要弄清楚如何做，需要“一生的努力”。
基于 1950 年代中期的关键实验见解，约翰·巴丁、莱昂·库珀和约翰·罗伯特·施里弗于 1957 年发表了关于这种传统形式的超导性的诺贝尔奖获得者理论。今天众所周知的“BCS 理论”认为，振动在运动通过成排的原子将电子“粘合”在一起。当带负电的电子在原子之间飞行时，它会将带正电的原子核拉向它并引发涟漪。那涟漪吸引了第二个电子。这两个电子克服了它们强烈的电斥力，形成了“库珀对”。
“这真是大自然的诡计，”德国卡尔斯鲁厄理工学院的物理学家Jörg Schmalian说。
当电子耦合时，进一步的量子诡计使超导性不可避免。通常，电子不能重叠，但库珀对遵循不同的量子力学规则；它们就像光粒子一样，任何数量的光粒子都可以堆积在针头上。许多库珀对聚集在一起并合并成一个单一的量子力学状态，即一种“超流体”，它会忘记它穿过的原子。
BCS 理论还解释了为什么汞和大多数其他金属元素在冷却到接近绝对零时会超导，但在几开尔文以上时停止。原子波纹是最薄弱的胶水。调高热量，它会摇晃原子并消除晶格振动。
然后在 1986 年，IBM 研究人员 Georg Bednorz 和 Alex Müller 在铜酸盐中偶然发现了一种更强的电子胶：由散布在其他元素层之间的铜片和氧组成的晶体。在他们观察到 30 开尔文的铜酸盐超导后，研究人员很快发现了其他超导超过 100开尔文的材料，然后又超过了130 开尔文。
这一突破引发了广泛的努力，以了解导致这种“高温”超导性的更坚韧的胶水。也许电子聚集在一起形成了斑驳的、波纹状的电荷浓度。或者它们可能通过自旋相互作用，这是电子的一种内在特性，可以将其定向到特定方向，就像量子大小的磁铁一样。
已故的美国诺贝尔奖获得者、凝聚态物理学全能传奇人物菲利普·安德森（Philip Anderson）在高温超导被发现几个月后提出了一个理论。他认为，胶水的核心是一种先前描述的称为超交换的量子现象——一种由电子跳跃能力产生的力。当电子可以在多个位置之间跳跃时，它们在任何时刻的位置都变得不确定，而它们的动量则变得精确定义。更尖锐的动量可能是更低的动量，因此是粒子自然寻找的更低能量状态。
