Forskare har för första gången lyckats fånga superledningens ”dansande par”, vilket avslöjar de saknade pusselbitarna i en årtionden gammal teori

För första gången har forskare direkt avbildat den kvantprocess som ligger till grund för supraledning, ett fenomen där parbildade elektroner får elektrisk ström att flöda utan motstånd vid tillräckligt låga temperaturer. Resultaten blev inte riktigt som de hade förväntat sig.

I studien, som publicerades den 15 april i Physical Review Letters, avbildade forskarna direkt hur enskilda atomer parbildades i en speciell gas som kyldes ned till nära absolut noll – den oåtkomliga gränsen för hur kallt det kan bli. Denna typ av gas, kallad Fermi-gas, gör det möjligt för forskarna att ersätta elektroner med atomer och undersöka superledarnas fysik på ett kontrollerat sätt.

Överraskande nog fann forskarna att atomerna, efter att ha parat ihop sig, rörde sig i en synkroniserad dans, där deras positioner var beroende av andra par – ett fenomen som inte förutsågs av den 70 år gamla, Nobelprisbelönade teorin om superledning.

”Vårt experiment visade att något saknas kvalitativt i denna teori”, säger den experimentella forskningsledaren Tarik Yefsah vid Laboratoire Kastler Brossel vid det franska nationella centrumet för vetenskaplig forskning (CNRS) i Paris. Yefsah och andra experimentella fysiker vid CNRS samarbetade i den nya studien med teoretiska fysiker, däribland Shiwei Zhang vid Simons Foundations Flatiron Institute.

Källa: Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation

Resultaten tillför en viktig ny detalj till forskarnas grundläggande förståelse av supraledning och kan bidra till sökandet efter supraledare vid rumstemperatur, en helig graal inom modern fysik som skulle möjliggöra ultraeffektiva elnät och elektroniska enheter.

Supraledning förekommer vanligtvis i speciella metaller som kyls ned till extremt låga temperaturer – långt under de temperaturer som förekommer naturligt på jorden. När dessa material sjunker under en kritisk temperatur sjunker deras elektriska motstånd till noll på grund av en kvanteffekt som parar ihop elektroner som dansare på en dansgolv. Denna grundläggande fysik bakom supraledning beskrevs först på 1950-talet i en teori av de amerikanska fysikerna John Bardeen, Leon Cooper och John Robert Schrieffer.

Men BCS-teorin – uppkallad efter sina uppfinnare – är bara ett ungefärligt ramverk; den kan inte beskriva alla aspekter av supraledning, och den kan inte förklara alla typer av supraledare. Fysikerna visste att något saknades, men trots år av forskning var de inte helt säkra på vad.

”BCS-teorin säger oss att supraledning uppstår eftersom elektroner har en tendens att bilda par”, säger Zhang, seniorforskare och gruppledare vid Flatiron Institutes Center for Computational Quantum Physics (CCQ). ”Men det är en grov teori, och den säger oss ingenting om hur paren interagerar.” BCS-teorin antar faktiskt att paren är oberoende fördelade i en supraledare, så sannolikheten att hitta ett par nära en given punkt är inte korrelerad med närvaron eller frånvaron av par i närheten.

En närmare titt inuti kvantbalen

I den nya studien samarbetade en grupp experimentella fysiker från CNRS med teoretiska fysiker vid CCQ för att undersöka fysiken bakom korrelationen mellan par.

Med hjälp av en nyutvecklad avbildningsmetod tog de experimentella fysikerna ögonblicksbilder av parens relativa positioner. Forskarna använde en speciell gasblandning bestående av litiumatomer, kyld till bara några miljarddels grader Celsius över absolut nollpunkt. Vid dessa temperaturer beter sig atomerna som fermioner, en grundläggande partikelklass som inkluderar elektroner. Eftersom dessa fermioner alla följer samma fysik för parbildning är atomerna lämpliga ersättare för att studera elektronernas beteende i supraledare.

Bildtagningen visade att positionerna för de parade atomerna påverkades av andra par. De parade atomerna höll avstånd från andra parade atomer, precis som dansande par håller avstånd från andra dansare i en balsal, säger Yefsah. Denna upptäckt tillför en ny förståelse av dessa system som saknades i den historiska BCS-teorin.

”BCS-teorin ger oss en vy utifrån balsalen, där vi kan höra musiken och se dansarna komma ut, men vi vet inte vad som händer inne i balsalen”, säger Yefsah. ”Vår metod är som att ta med en vidvinkelkamera in i balsalen. Nu kan vi se hur dansarna parar ihop sig och är uppmärksamma på varandra, så att de inte krockar med varandra.”

Zhang och hans tidigare postdoktorand vid CCQ, Yuan-Yao He från Institutet för modern fysik vid Northwest University i Kina, arbetade för att bekräfta resultaten. De genomförde en numerisk simulering med hjälp av kvantmekanik som exakt modellerade samma system. Resultatet av deras simulering stämde överens med de experimentella fynden och avslöjade de detaljer som saknades i BCS-teorin, inklusive avståndet mellan de parade ”dansarna”.

Varför detta är viktigt för framtida supraledare

Resultaten utvidgar forskarnas grundläggande förståelse av supraledare och andra kvantmaterial gjorda av fermioner. Sådana framsteg inom grundläggande fysik är avgörande för utvecklingen av banbrytande högtemperatur-superledare.

På 1980-talet upptäckte forskare som experimenterade med metallegeringar en ny klass av så kallade högtemperatur-superledare, som uppvisar superledning vid temperaturer runt det som flytande kväve har – fortfarande kyliga minus 196 grader Celsius (minus 321 grader Fahrenheit). Forskarna har inte kommit fram till varför dessa legeringar kan vara supraledande vid dessa relativt höga temperaturer. Men med en bättre förståelse av supraledning hoppas forskarna kunna utveckla supraledare som fungerar vid temperaturer i vår vardagliga miljö, vilket skulle kunna förbättra effektiviteten hos elnät och superdatorer avsevärt.

”Genom att förstå detta enkla fall kan vi finjustera våra verktyg för att studera mer komplicerade system”, säger Zhang. ”Och det är i mer komplicerade system som vi letar efter nya faser av materia, vilket har drivit på många tekniska genombrott i det förflutna.”