Bij lage temperaturen gebeuren er bijzondere dingen. Een van de beste voorbeelden is supergeleiding, een fenomeen waarbij de elektrische weerstand van een vaste stof onder een kritische temperatuur tot nul daalt. Al een eeuw bekend, supergeleiding heeft nu toepassingen in de wetenschap en de industrie. Natuur- en scheikundestudenten kunnen zelfs hun eigen zwevende magneten maken van supergeleidende legeringen.

De meeste supergeleiders, zoals de meeste vaste stoffen, zijn kristallijn, met atomaire structuren opgebouwd uit zich periodiek herhalende cellen. Sinds de jaren tachtig, een alternatieve vorm van vast, het quasikristal (QC), prominent is geworden. Hoewel QC's symmetrie hebben, zoals kristallen, ze hebben geen herhalende eenheden. Dit gebrek aan periodiciteit resulteert in ongebruikelijke elektronische structuren. Nutsvoorzieningen, in een studie in Natuurcommunicatie , een onderzoeksteam onder leiding van Nagoya University heeft voor het eerst supergeleiding ontdekt in een QC.

Het team bestudeerde een legering van aluminium, zink en magnesium. De kristallijne versie staat bekend als supergeleidend. Echter, de structuur van Al-Zn-Mg hangt af van de verhouding van de drie elementen. Het team ontdekte dat Al een cruciaal effect had op de eigenschappen van de legering. Zoals de eerste auteur van het onderzoek, Keisuke Kamiya, opmerkt:"Toen we het Al-gehalte verminderden en het Mg-gehalte vrijwel constant hielden, de kritische temperatuur voor supergeleiding nam aanvankelijk geleidelijk af van ~0,8 tot ~0,2 K. Echter, bij 15% Al, er gebeurden twee dingen:de legering veranderde in een quasikristal, en de kritische temperatuur daalde tot ~0,05 K."

Deze extreem lage kritische temperatuur, slechts 1/20 graad boven het absolute nulpunt, verklaart waarom supergeleiding in QC's zo moeilijk te bereiken is gebleken. Niettemin, de QC-legering vertoonde twee archetypische kenmerken van supergeleiders:een sprong in soortelijke warmte bij de kritische temperatuur, en de bijna totale uitsluiting van magnetische flux uit het interieur, bekend als het Meissner-effect.

Supergeleiding in conventionele kristallen is nu goed begrepen. Bij voldoende lage temperatuur, de negatief geladen elektronen overwinnen hun wederzijdse afstoting en trekken elkaar aan, samenwerken in paren. Deze "Cooper-paren" smelten samen tot een Bose-Einstein-condensaat, een kwantumtoestand van materie zonder elektrische weerstand. Echter, de aantrekkingskracht tussen elektronen berust op hun interactie met het vaste rooster, en de conventionele theorie gaat ervan uit dat dit een periodiek kristal is, in plaats van een QC.

Voor de oorsprong van supergeleiding in de QC-legering, het team overwoog drie mogelijkheden. De meest exotische waren "kritische eigentoestanden":speciale elektronische toestanden die alleen in de buurt van het absolute nulpunt werden gevonden. De elektronische eigentoestanden worden uitgebreid in kristallen, en gelokaliseerd in willekeurige vaste stoffen, maar de ruimtelijke omvang van de kritische eigentoestanden in QC's - die noch periodiek noch willekeurig zijn - is onduidelijk. Echter, het team sloot ze uit op basis van hun metingen. Dat leidde terug naar Cooper-paren, in de verlengde of de minder vaak voorkomende "zwakke koppeling" variëteit. In feite, de legering leek sterk op een typische supergeleider met een zwakke koppeling.

"Het is interessant dat de supergeleiding van deze legering niet was gekoppeld aan zijn quasikristalliniteit, maar leek op die in zogenaamde vuile kristallen, " zegt corresponderende auteur Noriaki K. Sato. "Echter, de theorie van quasikristallen voorspelt ook een andere vorm van supergeleiding, gebaseerd op fractale geometrie in QC's. Wij geloven dat er een sterke mogelijkheid is dat fractale supergeleiding op zijn minst enige bijdrage levert, en we zouden enthousiast zijn om het eindelijk te meten."

Het artikel, "Ontdekking van supergeleiding in quasikristal, " werd gepubliceerd in Natuurcommunicatie .