電子が結合すると、さらなる量子トリックにより超伝導が不可避になります。 通常、電子は重なり合うことはできませんが、クーパー対は別の量子力学的規則に従います。 それらは光の粒子のように機能し、ピンの頭にいくつでも積み重なることができます。 多くのクーパー対が一緒になって、単一の量子力学的状態、つまり「超流動」に融合し、その間を通過する原子を意識しなくなります。
BCS 理論は、水銀や他のほとんどの金属元素が絶対零度近くまで冷却されると超伝導するが、数ケルビンを超えると超伝導を停止する理由も説明しました。 原子の波紋は、最も弱い接着剤になります。 熱を上げると、原子が揺れ、格子振動が洗い流されます。
その後、1986 年に、IBM の研究者である Georg Bednorz と Alex Müller は、銅酸化物の強力な電子接着剤に出くわしました。これは、他の元素の層の間に散在する銅と酸素のシートで構成される結晶です。 彼らの後 銅酸化物を観察した 30 ケルビンで超伝導し、研究者はすぐに他の超伝導体を発見しました。 100以上、そして上 130ケルビン.
このブレークスルーにより、この「高温」超伝導の原因となるより丈夫な接着剤を理解するための広範な取り組みが開始されました。 おそらく、電子が集まって斑点状のさざなみの電荷濃度を作り出したのでしょう。 あるいは、量子サイズの磁石のように、電子を特定の方向に向ける電子固有の特性であるスピンを介して相互作用したのかもしれません。
アメリカのノーベル賞受賞者であり、凝縮物質物理学の万能な伝説である故フィリップ・アンダーソンは、 理論 高温超伝導が発見されてからわずか数ヶ月。 彼は、接着剤の中心には、超交換と呼ばれる以前に説明された量子現象が存在すると主張しました。これは、電子の飛び跳ねる能力から生じる力です。 電子が複数の場所の間を飛び回ることができる場合、その瞬間の位置は不確かになりますが、運動量は正確に定義されます。 より鋭い運動量はより低い運動量になる可能性があり、したがって粒子が自然に求める低エネルギー状態になります。
要するに、電子はホップできる状況を探すということです。 たとえば、隣の電子が上を指している場合、電子は下を指すことを好みます。これは、この違いによって 2 つの電子が同じ原子間を移動できるためです。 このように、超交換は、いくつかの材料で電子スピンの規則的な上下パターンを確立します。 また、電子が一定の距離を保てるように微調整します。 (遠すぎて、飛び跳ねることができません。) 強力なクーパー ペアを形成できるとアンダーソンが信じていたのは、この効果的な引力です。
実験家たちは、アンダーソンのような理論をテストするのに長い間苦労しました。反射率や抵抗など、彼らが測定できる材料特性は、ペアではなく、数兆個の電子の集団的挙動の大まかな要約しか提供しなかったからです。
「凝縮系物理学の伝統的な手法は、このような問題を解決するために設計されたことはありません」と Davis 氏は述べています。
超実験
オックスフォード大学、コーネル大学、ユニバーシティ カレッジ コーク、およびドレスデンの国際マックス プランク化学物理学研究所に研究室を持つアイルランドの物理学者である Davis は、銅酸化物を原子レベルで精査するためのツールを徐々に開発してきました。 以前の実験では、超伝導が始まる臨界温度に達するまで材料を冷却することで、材料の超伝導の強度を測定していました。 しかし、過去 10 年間で、Davis のグループは、個々の原子の周りに接着剤を突き刺す方法を改良してきました。
彼らは、走査型トンネル顕微鏡法と呼ばれる確立された技術を修正しました。これは、表面上で針を引きずり、2 つの間で跳躍する電子の流れを測定します。 針の通常の金属チップを超伝導チップに交換し、それを銅酸化物上で掃引することにより、個々ではなく電子対の電流を測定しました。 これにより、各原子を取り囲むクーパー対の密度をマッピングできるようになり、超伝導の直接的な尺度となります。 彼らは最初の画像を公開しました クーパーペアの群れ の 自然 2016年。