Supraledning är ett kvantfysikaliskt tillstånd där en metall kan leda elektricitet perfekt utan något motstånd. I sin mest kända tillämpning gör supraledning det möjligt för kraftfulla magneter i magnetkameror att skapa de magnetfält som gör det möjligt för läkare att se in i våra kroppar. Hittills har material bara kunnat uppnå supraledning vid extremt låga temperaturer, nära den absoluta nollpunkten (några tiotals Kelvin eller kallare).
Men fysikerna drömmer om supraledande material som en dag kan fungera vid rumstemperatur. Sådana material skulle kunna öppna helt nya möjligheter inom områden som kvantdatorer, energisektorn och medicinsk teknik.
”Att förstå de mekanismer som leder till bildandet av supraledning och upptäcka nya exotiska supraledande faser är inte bara en av de mest stimulerande uppgifterna inom den grundläggande studien av kvantmaterial, utan drivs också av den ultimata drömmen om att uppnå supraledning i rumstemperatur”, säger Stevan Nadj-Perge, professor i tillämpad fysik och materialvetenskap vid Caltech.
Nu har ett team som leds av Nadj-Perge och som inkluderar Lingyuan Kong, AWS quantum postdoctoral scholar research associate, och andra kollegor vid Caltech upptäckt ett nytt supraledande tillstånd – ett fynd som ger en ny pusselbit bakom detta mystiska men kraftfulla fenomen. En artikel om arbetet publicerades den 19 mars i tidskriften Nature.
I vanliga metaller kolliderar enskilda elektroner med joner när de rör sig över metallens gitterstruktur som består av motsatt laddade joner. Varje kollision gör att elektronerna förlorar energi, vilket ökar det elektriska motståndet. I supraledare däremot är elektronerna svagt attraherade av varandra och kan binda sig till varandra och bilda duos som kallas Cooper-par.
Så länge elektronerna håller sig inom ett visst relativt litet intervall av energinivåer, det s.k. energigapet, förblir elektronerna parade och förlorar inte energi genom kollisioner. Därför är det inom det relativt lilla energigapet som supraledning uppstår.
Vanligtvis är energigapet i en supraledare detsamma på alla platser i materialet. I en supraledande kristall utan föroreningar skulle t.ex. alla delar av kristallen ha samma energigap.
Elektronisk struktur och supraledning hos tunna Fe(Te,Se)-flingor. Kredit: Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-08703-x
Men med början på 1960-talet började forskare teoretisera om att energigapet i vissa supraledande material kunde moduleras i rymden, vilket innebär att gapet kan vara starkare i vissa områden och svagare i andra. Senare, på 2000-talet, utvecklades idén ytterligare med förslaget om det så kallade PDW-tillståndet (pair density wave), vilket innebär att ett supraledande tillstånd skulle kunna uppstå där energigapet moduleras med en lång våglängd, där gapet fluktuerar mellan ett större och ett mindre mått.
Under det senaste decenniet har detta koncept rönt stort experimentellt intresse och många material, inklusive järnbaserade supraledare, har undersökts som potentiella värdar för ett PDW-tillstånd.
Nu har Nadj-Perge och hans kollegor, som arbetar med extremt tunna flingor av en järnbaserad supraledare, FeTe0,55Se0,45, upptäckt en modulering av det supraledande gapet med minsta möjliga våglängd, vilket matchar atomavståndet i en kristall. De har döpt den till PDM-läget (Cooper-pair density modulation).
”Den observerade gapmoduleringen, som når upp till 40%, representerar den starkaste som hittills rapporterats, vilket leder till det tydligaste experimentella beviset hittills för att gapmodulering kan existera även på atomnivå”, säger Kong, huvudförfattare till den nya artikeln.
Den oväntade upptäckten möjliggjordes genom att man för första gången lyckades genomföra experiment med sveptunnelmikroskopi av en järnbaserad supraledare på en specialutrustning för att studera sådana tunna flingor. Sådana experiment hade i nästan två decennier hindrats av kraftiga ytföroreningar, men Caltech-teamet, som arbetar vid Kavli Nanoscience Institute (KNI), utvecklade en ny experimentell metod som möjliggjorde en tillräckligt ren yta för mikroskopiska sonder.
Michał Papaj, biträdande professor i fysik vid University of Houston, och Patrick A. Lee, William & Emma Rogers Professor of Physics vid MIT och gästforskare vid Caltech, båda också författare till den nya artikeln, har utvecklat en teoretisk modell för att förklara det möjliga ursprunget till den observerade gapmoduleringen. ”Deras modell tyder på att denna PDM-tillståndsmodulering uppstår genom att både undergittersymmetrin och en unik rotationssymmetri som är specifik för tunna flingor bryts”, säger Nadj-Perge.
För mer information: Lingyuan Kong et al, Cooper-pair density modulation state in an iron-based superconductor, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-08703-x
