Voor jaren, natuurkundigen hebben aangenomen dat Cooper-paren, de elektronenduo's waarmee supergeleiders elektriciteit kunnen geleiden zonder weerstand, waren tweetrapspony's. De paren glijden ofwel vrij, het creëren van een supergeleidende toestand, of creëer een isolerende staat door vast te lopen in een materiaal, helemaal niet kunnen bewegen.

Maar in een nieuw artikel gepubliceerd in Wetenschap , een team van onderzoekers heeft aangetoond dat Cooper-paren ook elektriciteit kunnen geleiden met enige weerstand, zoals gewone metalen doen. De bevindingen beschrijven een geheel nieuwe staat van materie, zeggen de onderzoekers, dat vraagt ​​om een ​​nieuwe theoretische verklaring.

"Er waren aanwijzingen dat deze metallische toestand zou optreden in dunnefilm-supergeleiders als ze werden afgekoeld tot hun supergeleidende temperatuur, maar of die staat al dan niet Cooper-paren betrof, was een open vraag, " zei Jim Valles, een professor in de natuurkunde aan de Brown University en de corresponderende auteur van de studie. "We hebben een techniek ontwikkeld waarmee we die vraag kunnen testen en dat hebben we laten zien, inderdaad, Cooperparen zijn verantwoordelijk voor het transporteren van lading in deze metallische staat. Wat interessant is, is dat niemand op een fundamenteel niveau helemaal zeker weet hoe ze dat doen, dus deze bevinding vereist wat meer theoretisch en experimenteel werk om precies te begrijpen wat er gebeurt."

Cooper-paren zijn vernoemd naar Leon Cooper, een natuurkundeprofessor aan Brown die in 1972 de Nobelprijs won voor het beschrijven van hun rol bij het mogelijk maken van supergeleiding. Weerstand ontstaat wanneer elektronen tijdens het bewegen in het atomaire rooster van een materiaal ratelen. Maar wanneer elektronen samenkomen om Cooper-paren te worden, ze ondergaan een opmerkelijke transformatie. Elektronen zijn op zichzelf fermionen, deeltjes die het Pauli-uitsluitingsprincipe gehoorzamen, wat betekent dat elk elektron de neiging heeft om zijn eigen kwantumtoestand te behouden. Cooper-paren, echter, handelen als bosonen, die gelukkig dezelfde staat kunnen delen. Dat bosonische gedrag stelt Cooper-paren in staat hun bewegingen te coördineren met andere sets Cooper-paren op een manier die de weerstand tot nul reduceert.

In 2007, Valles, werken met Brown techniek en natuurkunde professor Jimmy Xu, toonde aan dat Cooper-paren ook isolerende toestanden en supergeleiding konden produceren. In zeer dunne materialen, in plaats van samen te bewegen, de paren spannen samen om op hun plaats te blijven, gestrand op kleine eilanden binnen een materiaal en niet in staat om naar het volgende eiland te springen.

Voor deze nieuwe studie Valles, Xu en collega's in China zochten naar Cooper-paren in de niet-supergeleidende metalen toestand met behulp van een techniek die vergelijkbaar is met degene die Cooper-paarisolatoren onthulde. De techniek omvat het modelleren van een dunne-film supergeleider - in dit geval een hoge-temperatuur supergeleider yttrium barium koperoxide (YBCO) - met arrays van kleine gaatjes. Wanneer er een stroom door het materiaal loopt en wordt blootgesteld aan een magnetisch veld, ladingsdragers in het materiaal zullen rond de gaten cirkelen als water dat door een afvoer stroomt.

"We kunnen de frequentie meten waarmee deze ladingen rondcirkelen, "Zei Valles. "In dit geval, we ontdekten dat de frequentie consistent is met het feit dat er twee elektronen tegelijk rondgaan in plaats van slechts één. We kunnen dus concluderen dat de ladingsdragers in deze toestand Cooper-paren zijn en geen enkele elektronen."

Het idee dat bosonachtige Cooper-paren verantwoordelijk zijn voor deze metaalachtige toestand is enigszins een verrassing, zeggen de onderzoekers, omdat er elementen van de kwantumtheorie zijn die suggereren dat dit niet mogelijk zou moeten zijn. Dus als we precies begrijpen wat er in deze toestand gebeurt, kan dit leiden tot opwindende nieuwe natuurkunde, maar er zal meer onderzoek nodig zijn.

Gelukkig, zeggen de onderzoekers, het feit dat dit fenomeen werd gedetecteerd in een hoge-temperatuur-supergeleider zal toekomstig onderzoek praktischer maken. YBCO begint supergeleidend te worden bij ongeveer -181 graden Celsius, en de metaalfase begint bij temperaturen net daarboven. Dat is best koud, maar het is veel warmer dan andere supergeleiders, die net boven het absolute nulpunt actief zijn. Die hogere temperatuur maakt het gemakkelijker om spectroscopie en andere technieken te gebruiken om beter te begrijpen wat er in deze metaalfase gebeurt.

Aan het einde van de weg, zeggen de onderzoekers, het is misschien mogelijk om deze bosonische metaaltoestand te benutten voor nieuwe soorten elektronische apparaten.

"Het ding met de bosonen is dat ze de neiging hebben om meer in een golfachtige toestand te verkeren dan elektronen, dus we praten erover dat ze een fase hebben en interferentie veroorzaken op ongeveer dezelfde manier als licht, "Zei Valles. "Dus er kunnen nieuwe modaliteiten zijn om lading in apparaten te verplaatsen door te spelen met interferentie tussen bosonen."

Maar voor nu, de onderzoekers zijn blij dat ze een nieuwe staat van materie hebben ontdekt.

"Wetenschap is gebaseerd op ontdekkingen, "Xu zei, "en het is geweldig om iets compleet nieuws te hebben ontdekt."