Natuurkundigen hebben "elektronenparen, " een kenmerkend kenmerk van supergeleiding, bij temperaturen en energieën ruim boven de kritische drempel waar supergeleiding plaatsvindt.

Doug Natelson van Rice University, co-corresponderende auteur van een paper over het werk in deze week Natuur , zei dat de ontdekking van Cooper-elektronenparen "een beetje boven de kritische temperatuur voor sommige mensen niet 'gek verrassend' zal zijn. Wat nog vreemder is, is dat het lijkt alsof er twee verschillende energieschalen zijn. Er is een hogere energieschaal waar de paren vormen, en er is een lagere energieschaal waar ze allemaal besluiten de handen ineen te slaan en collectief en coherent te handelen, het gedrag dat daadwerkelijk supergeleiding tot stand brengt."

Elektrische weerstand is zo gewoon in de moderne wereld dat de meesten van ons het als vanzelfsprekend beschouwen dat computers, smartphones en elektrische apparaten warmen op tijdens gebruik. Die verwarming gebeurt omdat elektriciteit niet vrij door de metalen draden en siliciumchips in de apparaten kan stromen. In plaats daarvan, stromende elektronen botsen soms tegen atomen of tegen elkaar, en elke botsing produceert een klein beetje warmte.

Natuurkundigen weten al sinds 1911 dat elektriciteit zonder weerstand kan stromen in materialen die supergeleiders worden genoemd. En in 1957, ze ontdekten waarom:onder specifieke omstandigheden, inclusief typisch zeer koude temperaturen, elektronen komen samen in paren - iets dat normaal gesproken verboden is vanwege hun wederzijdse afstoting - en als paren, ze kunnen vrij stromen.

"Om supergeleiding te krijgen, het algemene gevoel is dat je paren nodig hebt, en je moet een soort van samenhang tussen hen bereiken, " zei Natelson, die voor het onderzoek samenwerkten met experts van Rice, Brookhaven National Laboratory en de Universiteit van Connecticut. "De vraag, voor een lange tijd, was, 'Wanneer krijg je paren?' Omdat in conventionele supergeleiders, zodra je paren vormde, coherentie en supergeleiding zou volgen."

Elektronenparen zijn genoemd naar Leon Cooper, de fysicus die ze voor het eerst beschreef. Naast het verklaren van klassieke supergeleiding, natuurkundigen geloven dat Cooper-paren supergeleiding bij hoge temperatuur veroorzaken, een onconventionele variant die in de jaren tachtig werd ontdekt. Het werd "hoge temperatuur" genoemd omdat het voorkomt bij temperaturen die, hoewel het nog steeds erg koud is, zijn aanzienlijk hoger dan die van klassieke supergeleiders. Natuurkundigen hebben er lang van gedroomd om supergeleiders voor hoge temperaturen te maken die bij kamertemperatuur werken. een ontwikkeling die de manier waarop energie wordt gemaakt radicaal zou veranderen, wereldwijd verplaatst en gebruikt.

Maar hoewel natuurkundigen een duidelijk begrip hebben van hoe en waarom elektronenparen plaatsvindt in klassieke supergeleiders, hetzelfde kan niet gezegd worden van supergeleiders bij hoge temperaturen zoals het lanthaan strontium koperoxide (LSCO) dat in de nieuwe studie voorkomt.

Elke supergeleider heeft een kritische temperatuur waarbij de elektrische weerstand verdwijnt. Natelson zei dat theorieën en studies van koperoxide-supergeleiders in de afgelopen 20 jaar hebben gesuggereerd dat Cooper-paren zich boven deze kritische temperatuur vormen en alleen coherent mobiel worden wanneer het materiaal wordt afgekoeld tot de kritische temperatuur.

"Als dat waar is, en je hebt al paren bij hogere temperaturen, de vraag is, 'Kun je ook coherentie krijgen bij die temperaturen?'" zei Natelson. "Kun je ze op de een of andere manier overtuigen om hun dans te beginnen in de regio die bekend staat als de pseudogap, een faseruimte bij hogere temperaturen en energieschalen dan de supergeleidende fase."

In de Natuur studie, Natelson en collega's vonden bewijs van deze hogere energiekoppeling in de geleidingsruis in ultrazuivere LCSO-monsters die zijn gekweekt in het laboratorium van Brookhaven's Ivan Božović, co-corresponderende auteur van de studie.

"Hij kweekt het beste materiaal ter wereld, en onze metingen en conclusies waren alleen mogelijk vanwege de zuiverheid van die monsters, "Zei Natelson. "Hij en zijn team hebben apparaten gemaakt die tunnelovergangen worden genoemd, en in plaats van alleen naar de elektrische stroom te kijken, we hebben gekeken naar schommelingen in de stroom die schotruis wordt genoemd.

"In de meeste gevallen, als je stroom meet, je meet een gemiddelde en negeert het feit dat stroom in brokken lading komt, "Zei Natelson. "Het is zoiets als het verschil tussen het meten van de gemiddelde dagelijkse regenval in je huis en het meten van het aantal regendruppels dat op een bepaald moment valt."

Door de variatie te meten in de discrete hoeveelheid elektrische lading die door LCSO-juncties stroomt, Natelson en collega's ontdekten dat de doorgang van enkele elektronen geen verklaring kon geven voor de hoeveelheid lading die door de juncties stroomt bij temperaturen en spanningen ver boven de kritische temperatuur waar supergeleiding optrad.

"Een deel van de lading moet in grotere stukken komen, welke paren zijn "zei hij. "Dat is ongebruikelijk, omdat in een conventionele supergeleider, als je eenmaal boven de karakteristieke energieschaal gaat die geassocieerd wordt met supergeleiding, de paren worden uit elkaar gescheurd, en je ziet alleen losse kosten.

"Het lijkt erop dat LCSO een andere energieschaal bevat waar de paren zich vormen maar nog niet collectief handelen, "Zei Natelson. "Mensen hebben eerder theorieën aangeboden over dit soort dingen, maar dit is het eerste directe bewijs daarvoor."

Natelson zei dat het te vroeg is om te zeggen of natuurkundigen gebruik kunnen maken van de nieuwe kennis om paren vrij te laten stromen bij hogere temperaturen in onconventionele supergeleiders. Maar Božović zei dat de ontdekking "diepgaande implicaties" heeft voor theoretische natuurkundigen die supergeleiders bij hoge temperaturen en andere soorten gecondenseerde materie bestuderen.

"In zekere zin, de hoofdstukken uit het leerboek moeten worden herschreven, " zei Božović. "Uit deze studie, het lijkt erop dat we een nieuw soort metaal hebben, waarin een aanzienlijk deel van de elektrische stroom wordt gedragen door elektronenparen. Aan de experimentele kant, Ik verwacht dat deze bevinding veel vervolgwerk zal veroorzaken, bijvoorbeeld dezelfde techniek gebruiken om andere cuprates of supergeleiders te testen, isolatoren en laagdiktes."