De wereld aan de andere kant van Alice in Wonderland's spiegel is niet wat het lijkt, maar de spiegelachtige fysica van de supergeleider-isolatorovergang werkt precies zoals verwacht.

Wetenschappers weten dat dit waar is na de waarneming van een opmerkelijk fenomeen, waarvan het bestaan ​​drie decennia geleden werd voorspeld, maar dat tot nu toe aan experimentele detectie was ontgaan. De waarneming bevestigt dat fundamentele kwantumtoestanden, supergeleiding en superisolatie, beide ontstaan ​​in spiegelachtige beelden van elkaar, wat zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van supergevoelige en energiezuinige sensoren, detectoren en logische schakelaars voor wetenschap en communicatie, geheugenopslag en andere opkomende technologieën.

"Het gedrag dat we hebben laten zien, is precies het gedrag dat werd voorspeld en verwacht, " zei Valerii Vinokur, een Argonne Distinguished Fellow in de Materials Science-divisie van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE).

Vinokur en zijn collega's observeerden het fenomeen, genaamd de lading Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) overgang, in een microscopisch dunne film van supergeleidend niobium-titaannitriet. De lading BKT-overgang is de spiegelachtige tegenhanger van de vortex BKT-overgang die wetenschappers vele malen hebben waargenomen in supergeleidende materialen. Vinokur en zijn medewerkers van het California Institute of Technology en de Novosibirsk University in Rusland hebben hun bevindingen op 6 maart online gepubliceerd. 2018, in Wetenschappelijke rapporten .

"De experimenten die door ons team zijn uitgevoerd, bevestigen onomstotelijk het bestaan ​​van de superisolerende staat en de geldigheid van zijn fundamentele concepten, inclusief het fundamentele concept van lading-vortex dualiteit, " zei Vinokur, die ook een Senior Fellow is aan het Computation Institute van de University of Chicago. "De basisconcepten achter onze kennis over het universum op het diepste niveau zijn gebaseerd op het concept van dualiteit."

Het dualiteitsconcept in de natuurkunde houdt in dat fundamentele sets van fenomenen elkaar schijnbaar uitsluiten, maar twee kanten van een medaille vertegenwoordigen. Het bekendste voorbeeld van dualiteit is de golf-deeltjesdualiteit van licht dat in het kwantumrijk verschijnt. Superisolerende en supergeleidende materialen, die precies tegengesteld zijn, realiseer dualiteit tussen elektrische en magnetische effecten. In plaats van elektrische stroom te zenden zonder vermogensverlies, zoals supergeleiders doen, superisolatoren sluiten de stroom van ladingen volledig af onder een aangelegde spanning. Dit betekent dat spiegelende supergeleiders oneindige geleiding hebben, terwijl superisolatoren oneindige weerstand hebben.

De laatste bevinding bouwt voort op werk gepubliceerd in 2008 door Vinokur en zijn medewerkers die experimenteel het bestaan ​​​​van de superisolerende staat hebben vastgesteld, terwijl het ook voorstelt dat het het gedrag "spiegelt" dat optreedt in de supergeleidende toestand, afgeleid van het meest fundamentele kwantumconcept, het onzekerheidsprincipe. Theoretisch fysici bij CERN (het Europese laboratorium voor deeltjesfysica), de Universiteit van Genève en de Universiteit van Perugia - Cristina Diamantini, Carlo Trugenberger en Pascuale Sodano hadden het bestaan ​​van deze superisolerende toestand voorspeld, dual tot supergeleiding, in 1996. Maar de ontdekking van de superisolerende toestand was zo onverwacht dat het team van Vinokur aanvankelijk niet op de hoogte was van de voorspelling.

De BKT-overgang die aan de basis ligt van de supergeleider-isolator-dualiteit is genoemd naar wijlen Vadim Berezinskii, Michael Kosterlitz en David Thouless. Kosterlitz en Thouless werkten begin jaren zeventig samen om hun theorie van topologische faseovergangen te ontwikkelen, die heel anders zijn dan de faseovergangen die destijds algemeen bekend waren in de dagelijkse praktijk van de natuurkunde.

Deze gebruikelijke faseovergangen manifesteren zich als een abrupte verandering in de toestand van de materie, zoals ijs dat smelt tot water, of water dat kookt tot damp, bij een bepaalde kritische temperatuur. Topologische faseovergangen zijn vergelijkbaar met het losmaken van knopen in een stropdas, echter. "Je hebt een duidelijke verandering in de eigenschappen van het systeem zonder zichtbare materiële veranderingen in de eigenschappen van de das, ' zei Vinokur.

Berezinskii had onafhankelijk soortgelijke ideeën ontwikkeld, wat uiteindelijk leidde tot talrijke waarnemingen van vortex BKT-overgangen in duizenden supergeleidingsexperimenten in de loop van de decennia. Echter, tot nu, wetenschappers hadden nooit afdoende de spiegelachtige reflectie van de vortex BKT-overgang - de lading BKT-overgang - aan de superisolerende kant van de supergeleider-isolatorovergang waargenomen.

Kosterlitz, Thouless en Duncan Haldane ontvingen in 2016 de Nobelprijs voor de natuurkunde voor "theoretische ontdekkingen van topologische faseovergangen en topologische fasen van materie, " de geavanceerde wiskundige methoden hebben ontwikkeld die nodig zijn om de faseovergangen te verklaren die optreden in ongebruikelijke toestanden van materie, inclusief supergeleidende materialen en dunne magnetische films.

Een toekomstige onderzoeksrichting voor Vinokur en zijn collega's zal zijn om de temperatuur te verhogen waarbij hun niobium-titaannitrietverbinding overgaat in de superisolerende toestand. De overgangstemperatuur ligt nu tussen 100 en 200 millikelvin, dat is slechts een fractie van een graad boven het absolute nulpunt (min 459,6 graden Fahrenheit). Maar het verhogen van de overgangstemperatuur tot 4 kelvin (min 452.4 graden Fahrenheit) zou een technologische doorbraak betekenen.

"Dit betekent dat we deze materialen in de ruimte zouden kunnen gebruiken, omdat 4 kelvin de temperatuur van de ruimte is, " zei Vinokur. Mogelijke toepassingen in de ruimte voor dergelijke superisolerende materialen zijn onder meer supergevoelige detectoren voor het meten van elektromagnetische straling en andere verschijnselen, en schakelaars voor elektronische apparaten, zoals energiebesparende diodes.