컵레이트 초전도 메커니즘에 초점이 맞춰질 수 있다

이론과 실험은 전자쌍들 사이의 자기적 인력을 결정하는 요소들을 정확히 지적했다.

 

1986년에 극적으로 데뷔한 이래로, 컵레이트 초전도체는 현존하는 가장 잘 연구된 물질들 중 일부였다. 그럼에도 불구하고, 이 자료들에 대한 많은 미스터리들이 지속되고 있는데, 아마도 중요한 질문일 것이다. 어떤 메커니즘이 전자가 그들의 반발을 극복하고 짝을 이루도록 강요하는가?

전통적인 초전도체에서, 바딘-쿠퍼-슈리퍼(BCS) 이론은 포논 진동이 전자를 어떻게 쿠퍼 쌍으로 유인하는지를 설명한다. 이러한 초전도체의 물질적 특성은 종종 자성, 산화물, 절연체가 없는 "마티아스의 법칙"을 따른다. 황화수소를 제외하고, 어떤 BCS 초전도체도 40 켈빈의 온도를 초과하지 않는다. 이들 중 어느 것도 도핑된 구리 산화물을 막지 못했는데, 이 산화물은 절연성 반강자석이며 135K만큼 높은 온도에서 초전도 상태로 남아있다. BCS 페어링 메커니즘에 대한 추가 증거로, 큐프레이트 초전도체는 대부분 포논 주파수의 변화에 민감하지 않다. 큐프레이트 초전도체는 화학식이 다양하지만, 하나의 구리 원자가 두 개의 산소 원자 사이에 끼여 있는 평면과 같은 필수 구성 요소를 포함한다. 컵레이트의 초전도성 뒤에 있는 메커니즘에 대한 가설이 많다. 일부 이론가들은 스핀 변동을 제안했다; 다른 이론가들은 포논이 답이라고 믿는다. 게오르크 베드노르츠와 알렉스 뮐러가 구리 초전도성을 발견한 지 1년도 채 되지 않아 필립 앤더슨은 전자를 결합하는 접착제가 구리 원자의 스핀이 결합하여 전자 사이에 비자성 산소 원자에도 불구하고 전자 사이에 자기적 인력을 생성하는 초교환에서 온다고 제안했다.

최근, 잠재적인 초교환 페어링 메커니즘의 핵심 요소를 연결하기 위한 여러 연구가 시작되었습니다. 한 가지 중요한 요소는 전하 이동 간격(CTG)으로, 산소 원자가 구리 원자로부터 전자를 얻는 데 필요한 에너지(보통 몇 eV)이다. 구리 d 오비탈과 산소 p 오비탈 사이에 존재하는 간격이 클수록 산소가 구리로부터 전자를 흡수할 가능성이 적다. 작년에 퀘벡의 셔브룩 대학의 이론가들은 전자쌍이 CTG에 따라 변하는 속도를 계산했다. 이 예측은 옥스퍼드 대학교, 아일랜드의 University College Cork, 그리고 코넬 대학교에서 연구실을 가지고 있는 J. C. Seamus Davis가 이끄는 팀에게 핵심 목표를 제공했다. 미국 국립과학원회보(PNAS)의 최근 연구에서 데이비스와 그의 동료들은 캐나다 이론가들의 예측과 일치하는 증거를 보고하며 컵레이트 초전도의 메커니즘이 CTG 매개 초전도임을 시사한다.

 

모델 재작업

비록 BCS 이론은 분석적으로 풀 수 있지만(존 슈리퍼는 지하철에서 쿠퍼 쌍의 핵심 방정식을 풀었다), 높은 Tc 초전도체 뒤에 있는 이론은 더 복잡하다. 사진을 단순화하기 위해 연구자들은 종종 컵레이트가 스핀의 사각 격자로 근사되는 1밴드 허바드 모델로 눈을 돌렸다. 앤더슨은 슈퍼 교환이 어떻게 작동하는지 보여주기 위해 이 모델을 사용할 수 있었고, 다른 사람들은 심지어 컵레이트 상전이가 어디서 일어나는지 예측하기 위해 이 모델을 사용했다. 그러나 1밴드 허바드 모델은 본질적으로 산소와 구리를 하나의 효과적인 분자로 분쇄하기 때문에 구리와 산소 사이의 다중 전자 궤도를 고려하지 않는다.

1989년 초, 브룩헤이븐 국립 연구소의 빅 에머리는 이러한 역학을 다루기 위해 보다 현실적인 3밴드 허버드 모델을 도입했다. 동시에 다른 이론가들도 산소의 중요성을 지적하기 시작했다. 뉴질랜드 웰링턴 빅토리아 대학교의 실험학자 제프 탈론은 산소 구멍의 함량(산소 원자에 존재하는 전자 구멍의 양)과 최대 Tc 사이에 상관관계가 있다고 제안했다.

3밴드 허바드 모델에서 답을 추출하는 것은 최근까지 손이 닿지 않는 곳에 있었다. 1990년대 초 이후로, 새로운 알고리즘과 계산 능력의 기하급수적인 증가는 이론가들이 훨씬 더 많은 원자들의 역학과 이전에 자기 불순물에 대한 다루기 어려운 문제들을 포착할 수 있게 했다. 그 도구들로, 셔브룩 대학의 이론가들은 그 문제로 되돌아갔다. 이론가들은 큰 CTG가 낮은 Tc와 상관관계가 있고 낮은 산소 구멍의 함량이 낮은 Tc와 상관관계가 있다는 두 가지 실험 결과를 이해하기 위해 노력했다. 셔브룩 연구원들은 격자에 대한 3밴드 허바드 모델을 해결함으로써 이러한 결과 사이의 연관성을 입증했다. 그들은 CTG를 증가시키는 것이 산소 p 궤도를 압축함으로써 산소 구멍의 함량을 낮추어 구멍을 위한 공간을 덜 남긴다는 것을 발견했다. 또한 CTG가 클수록 결합에 장벽이 되기 때문에 초교환 상호작용의 강도가 제한된다. 모든 것을 종합해 보면, 저자들은 전자 페어링 메커니즘이 슈퍼 교환이며, 이는 차례로 CTG와 산소 구멍의 함량에 달려 있다고 결론지었다. 지난해 PNAS에 발표된 셔브룩 이론 논문은 "컵레이트를 이해하기 위한 긴 여정에서 진정한 이정표"라고 탈론은 말한다. 저자들은 또한 왜 컵레이트가 특별한지에 대한 우아한 설명을 제안했다. 모든 전이 금속 중에서 구리와 산소 사이에 가장 강한 공유 결합이 존재한다. 강한 공유 결합은 약한 결합이나 이온 결합보다 더 많은 초환율을 초래한다.

결정적으로, 셔브룩 이론가들은 또한 미래의 실험을 위한 정량화 가능한 목표를 확인했다. 그들은 주어진 CTG 변화가 쿠퍼 쌍의 밀도에 얼마나 영향을 미칠지 예측했다. 데이비스는 "실험자의 관점에서 보면 이제 견인력이 있습니다."라고 말합니다. "만약 통제 가능한 자유도를 측정할 수 있고, 반응을 측정할 수 있다면, 당신은 실제 물리학을 할 수 있습니다."