Wanneer u een apparaat aansluit of een lichtschakelaar aanzet, elektriciteit lijkt direct door draden in de muur te stromen. Maar eigenlijk, de elektriciteit wordt gedragen door kleine deeltjes, elektronen genaamd, die langzaam door de draden drijven. Op hun reis, elektronen botsen af ​​en toe tegen de atomen van het materiaal, bij elke botsing wat energie opgeven.

De mate waarin elektronen ongehinderd reizen, bepaalt hoe goed een materiaal elektriciteit kan geleiden. Veranderingen in de omgeving kunnen de geleidbaarheid verbeteren, in sommige gevallen drastisch. Bijvoorbeeld, wanneer bepaalde materialen worden afgekoeld tot ijskoude temperaturen, elektronen werken samen zodat ze ongeremd kunnen stromen, zonder enige energie te verliezen - een fenomeen dat supergeleiding wordt genoemd.

Nu heeft een team van onderzoekers van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Maryland (UMD) samen met medewerkers exotische supergeleiding gezien die afhankelijk is van zeer ongebruikelijke elektroneninteracties. Hoewel voorspeld dat het in andere niet-materiële systemen zal voorkomen, dit soort gedrag is ongrijpbaar gebleven. Het onderzoek van het team, gepubliceerd in het nummer van 6 april van wetenschappelijke vooruitgang , onthult effecten die grondig verschillen van alles wat eerder is gezien met supergeleiding.

Elektroneninteracties in supergeleiders worden bepaald door een kwantumeigenschap die spin wordt genoemd. In een gewone supergeleider, elektronen, die een spin van ½ dragen, paren en stromen ongeremd met behulp van trillingen in de atomaire structuur. Deze theorie is goed getest en kan het gedrag van de meeste supergeleiders beschrijven. In dit nieuwe onderzoek het team ontdekt bewijs voor een nieuw type supergeleiding in het materiaal YPtBi, een die lijkt voort te komen uit spin-3/2-deeltjes.

"Niemand had echt gedacht dat dit mogelijk was in vaste materialen, " legt Johnpierre Paglione uit, een UMD-professor natuurkunde en senior auteur van het onderzoek. "Hoge spin-toestanden in individuele atomen zijn mogelijk, maar als je de atomen eenmaal in een vaste stof samenvoegt, deze toestanden vallen meestal uiteen en je eindigt met een halve spin. "

De ontdekking dat YPtBi een supergeleider was, verraste de onderzoekers in de eerste plaats. De meeste supergeleiders beginnen als redelijk goede geleiders, met veel mobiele elektronen - een ingrediënt dat YPtBi mist. Volgens de conventionele theorie, YPtBi zou ongeveer duizend keer meer mobiele elektronen nodig hebben om supergeleidend te worden bij temperaturen onder 0,8 Kelvin. En toch, bij het afkoelen van het materiaal tot deze temperatuur, het team zag hoe dan ook supergeleiding gebeuren. Dit was een eerste teken dat er iets exotisch aan de hand was in dit materiaal.

Na het ontdekken van de abnormale supergeleidende overgang, onderzoekers deden metingen die hen inzicht gaven in de onderliggende elektronenparing. Ze bestudeerden een veelzeggend kenmerk van supergeleiders:hun interactie met magnetische velden. Terwijl het materiaal de overgang naar een supergeleider ondergaat, het zal proberen elk toegevoegd magnetisch veld uit zijn binnenste te verdrijven. Maar de uitzetting is niet helemaal perfect. Dichtbij het oppervlak, het magnetische veld kan nog wel het materiaal binnendringen, maar vervalt dan snel weer weg. Hoe ver het gaat, hangt af van de aard van de elektronenparing, en verandert naarmate het materiaal steeds verder afkoelt.

Om dit effect te onderzoeken, de onderzoekers varieerden de temperatuur in een klein monster van het materiaal terwijl ze het blootstelden aan een magnetisch veld dat meer dan tien keer zwakker was dan dat van de aarde. Een koperen spoel rond het monster detecteerde veranderingen in de magnetische eigenschappen van de supergeleider en stelde het team in staat om op gevoelige wijze kleine variaties te meten in hoe diep het magnetische veld in de supergeleider reikte.

De meting bracht een ongebruikelijke magnetische inbraak aan het licht. Terwijl het materiaal opwarmde vanaf het absolute nulpunt, de veldpenetratiediepte voor YPtBi nam lineair toe in plaats van exponentieel zoals bij een conventionele supergeleider. Dit effect, gecombineerd met andere metingen en theoretische berekeningen, beperkte de mogelijke manieren waarop elektronen konden paren. De onderzoekers concludeerden dat de beste verklaring voor de supergeleiding elektronen waren die vermomd waren als deeltjes met een hogere spin - een mogelijkheid die nog niet eerder was overwogen in het kader van conventionele supergeleiding.

De ontdekking van deze high-spin supergeleider heeft een nieuwe richting gegeven aan dit onderzoeksveld. "Vroeger waren we beperkt tot paren met half-spin-deeltjes, " zegt Hyunsoo Kim, hoofdauteur en een UMD-assistent-onderzoeker. "Maar als we een hogere spin gaan overwegen, dan breidt het landschap van dit supergeleidende onderzoek zich uit en wordt het alleen maar interessanter."

Voor nu, veel open vragen blijven, inclusief hoe een dergelijke koppeling in de eerste plaats zou kunnen plaatsvinden. "Als je deze combinatie met hoge spins hebt, wat is de lijm die deze paren bij elkaar houdt?" zegt Paglione. "Er zijn enkele ideeën over wat er zou kunnen gebeuren, maar er blijven fundamentele vragen over, wat het nog fascinerender maakt."