Met behulp van ultrakoude atomen, onderzoekers van de Universiteit van Heidelberg hebben een exotische toestand van materie gevonden waarin de samenstellende deeltjes paren wanneer ze beperkt zijn tot twee dimensies. De bevindingen op het gebied van de kwantumfysica kunnen belangrijke aanwijzingen bevatten voor intrigerende fenomenen van supergeleiding. De resultaten zijn gepubliceerd in Wetenschap .

Supergeleiders zijn materialen waar elektriciteit zonder weerstand doorheen kan stromen als ze eenmaal onder een bepaalde kritische temperatuur zijn afgekoeld. De technologisch meest relevante materiaalklasse, met uitzonderlijk hoge kritische temperaturen voor supergeleiding, wordt tot nu toe slecht begrepen. Er is bewijs, echter, dat om supergeleiding te laten plaatsvinden, een bepaald type deeltjes – de fermionen – moet paren. Bovendien, onderzoek heeft aangetoond dat materialen die bij relatief hoge temperaturen supergeleidend worden, gelaagde structuren hebben. "Dit betekent dat elektronen in deze systemen alleen in tweedimensionale vlakken kunnen bewegen", legt prof. dr. Selim Jochim van het Instituut voor Natuurkunde van de Universiteit van Heidelberg uit, die het project leidt. "Wat we tot nu toe niet begrepen, was hoe het samenspel van paren en dimensionaliteit kan leiden tot hogere kritische temperaturen."

Om deze vraag te onderzoeken, onderzoekers van het Center for Quantum Dynamics voerden experimenten uit waarbij ze een gas van ultrakoude atomen opsloten in tweedimensionale vallen die ze creëerden met behulp van gefocusseerde laserstralen. "In vaste stoffen zoals koperoxiden, er zijn veel verschillende effecten en onzuiverheden die deze materialen moeilijk te bestuderen maken. Daarom gebruiken we ultrakoude atomen om het gedrag van elektronen in vaste stoffen te simuleren. Dit stelt ons in staat om zeer zuivere monsters te maken en geeft ons volledige controle over de essentiële systeemparameters", zegt Puneet Murthy, een doctoraat student aan het Center for Quantum Dynamics aan de Universiteit van Heidelberg en een van de hoofdauteurs van deze publicatie.

Met behulp van een techniek die bekend staat als radiofrequentiespectroscopie, de onderzoekers maten de reactie van de atomen op een radiogolfpuls. Uit deze reactie ze konden precies zien of de deeltjes gepaard waren en op welke manier. Deze metingen werden ook uitgevoerd voor verschillende sterkten van interactie tussen fermionen. In de loop van de experimenten, de onderzoekers ontdekten een exotische toestand van materie. De theorie stelt dat fermionen met een zwakke interactie moeten paren bij de temperatuur waarbij ze supergeleidend worden. Echter, toen de wetenschappers de interactie tussen fermionen verhoogden, ze ontdekten dat paring plaatsvond bij temperaturen die meerdere keren hoger waren dan de kritische temperatuur.

"Om ons uiteindelijke doel te bereiken om deze verschijnselen beter te begrijpen, we beginnen met kleine systemen die we atoom voor atoom samenstellen", zegt prof. Jochim.