Metingen aan een supergeleidend materiaal laten een abrupte overgang zien tussen een normaal metaal en een "vreemd" metaal. Het echt vreemde ding, echter, is dat deze abruptheid verdwijnt wanneer de temperatuur daalt. "We hebben hier geen theoretische machinerie voor, " zegt theoretisch natuurkundige Jan Zaanen, co-auteur van a Wetenschap artikel, "dit is iets dat alleen een kwantumcomputer kan berekenen."

Supergeleiders zorgen al meer dan een eeuw voor verrassingen. 1911, Heik Kamerlingh Onnes in Leiden ontdekte dat kwik elektrische stroom zal geleiden zonder enige weerstand bij 4,2 Kelvin (4,5 graden boven het absolute nulpunt, of -273,15 graden Celsius).

Het fenomeen werd pas in 1957 verklaard, en in 1986, een nieuw type supergeleiding werd ontdekt in complexe koperoxiden. Deze supergeleiding bij hoge temperaturen overleeft zelfs bij zwoele temperaturen van 92 Kelvin.

Als het zou kunnen worden uitgebreid tot kamertemperatuur, supergeleiding zou ongekende technologische toepassingen betekenen, maar tot nu toe, het fenomeen heeft een volledige verklaring ontweken. Dit niet aan een gebrek aan inzet van natuurkundigen als Jan Zaanen, co-auteur en huistheoreticus met een groep experimentele fysici van Stanford die een artikel publiceerden in Wetenschap .

Vreemd metaal

"Ik denk dat het indruk zal maken, Zaanen schrijft over de publicatie. "Ook voor" Wetenschap normen, dit is geen alledaags artikel."

Sinds 1957, het is bekend dat supergeleiding wordt veroorzaakt door elektronen die paren vormen, die ongehinderd door een kristal kan varen. Dit gebeurt alleen onder een kritische temperatuur, tc. Echter, zelfs boven deze temperatuur, hoge Tc-supergeleiders vertonen vreemd gedrag. In deze vreemde metaalfase, elektronen gedragen zich niet als grotendeels onafhankelijke deeltjes, zoals ze doen in normale metalen, maar als collectieven.

Sudi Chen en collega's van Stanford University onderzochten de overgang tussen normaal en vreemd in het supergeleidende koperoxide Bi (2212), met behulp van de ARPES-techniek (Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy). In ARPES, intens UV-licht wordt op het monster gericht, die energie draagt ​​die er elektronen uit kan werpen. De energie en snelheid van dergelijke uitgestoten elektronen verraden het gedrag van elektronen in het monster.

Kokend water

Afgezien van de temperatuur, de dopingparameter is cruciaal. Door de exacte chemie van het materiaal aan te passen, het aantal vrij bewegende ladingsdragers kan worden gevarieerd, wat de eigenschappen beïnvloedt.

Bij relatief warme temperaturen net boven de hoogst mogelijke Tc, de overgang tussen het normale en het vreemde metaal vindt plaats tussen een dopingpercentage van 19 en 20 procent. Bij deze overgang Chen en collega's laten zien dat de energieverdeling van de elektronen abrupt verandert. Dergelijke discontinue overgangen zijn gebruikelijk in de natuurkunde. Een voorbeeld is kokend water:bij de overgang van vloeibaar water naar stoom, de dichtheid maakt een gigantische discontinue sprong.

Maar het vreemde is dat in dit geval, de discontinuïteit verdwijnt wanneer de temperatuur wordt verlaagd naar het supergeleidende rijk:de abruptheid wordt gladgestreken, en de eigenschappen veranderen plotseling continu.

Vuilnisbak

"Dus wat is het geval? Volgens een algemeen natuurkundig principe, discontinu gedrag bij hoge temperaturen zou zich moeten vertalen in een discontinue overgang bij lage temperaturen, ', zegt Zaanen. 'Dat dit niet gebeurt, staat op gespannen voet met elke berekening tot nu toe. De complete theoretische machinerie laat ons in de steek.'

Dit betekent ook dat de zogenaamde kwantumkritische transitie, een favoriet onder de verklaringen, kan in de prullenbak worden gegooid omdat het een continu gedrag van het ARPES-signaal voorspelt wanneer de doping varieert.

Volgens Zaanen, dit alles is een duidelijke aanwijzing dat de vreemde metaalfase een gevolg is van kwantumverstrengeling. Dit is de verstrengeling van kwantummechanische eigenschappen van deeltjes die ook een essentieel ingrediënt is voor kwantumcomputers.

Quantumcomputers

Vandaar, Zaanen denkt, dit gedrag kan alleen naar tevredenheid worden berekend met behulp van een kwantumcomputer. Zelfs meer dan het breken van beveiligingscodes of het berekenen van moleculen, het vreemde metaal is de ideale testcase, waar kwantumcomputers hun voordelen kunnen laten zien ten opzichte van reguliere computers.

Het moraal van het verhaal, zegt Zaanen, is dat de oorsprong van supergeleiding zelf steeds meer een bijzaak is. "Na dertig jaar het bewijs stapelt zich op dat hoge Tc -supergeleiding wijst op een radicaal nieuwe vorm van materie, die wordt beheerst door de gevolgen van kwantumverstrengeling in de macroscopische wereld."