Supergeleiding is een fenomeen waarbij een elektrisch circuit zijn weerstand verliest en onder bepaalde omstandigheden extreem efficiënt wordt. Er zijn verschillende manieren waarop dit kan gebeuren, die als onverenigbaar werden beschouwd. Voor de eerste keer, onderzoekers hebben een brug gevonden tussen twee van deze methoden om supergeleiding te bereiken. Deze nieuwe kennis zou kunnen leiden tot een meer algemeen begrip van het fenomeen, en één dag om te solliciteren.

Er zijn drie bekende toestanden van materie:vast, vloeistof en gas. Er is een vierde toestand van materie genaamd plasma, dat is als een gas dat zo heet werd dat al zijn samenstellende atomen uiteenvielen, een super hete puinhoop van subatomaire deeltjes achterlatend. Maar er is een vijfde toestand van materie aan het tegenovergestelde uiteinde van de thermometer, bekend als een Bose-Einstein-condensaat (BEC).

"Een BEC is een unieke toestand van materie omdat het niet is gemaakt van deeltjes, maar eerder golven, " zei universitair hoofddocent Kozo Okazaki van het Instituut voor Vaste-stoffysica aan de Universiteit van Tokyo. "Terwijl ze afkoelen tot bijna het absolute nulpunt, de atomen van bepaalde materialen worden uitgesmeerd over de ruimte. Deze versmering neemt toe totdat de atomen - nu meer golven dan deeltjes - elkaar overlappen, niet meer van elkaar te onderscheiden zijn. De resulterende materie gedraagt ​​zich alsof het één enkele entiteit is met nieuwe eigenschappen de voorgaande vaste stof, vloeistof- of gastoestanden ontbraken, zoals supergeleiding. Tot voor kort waren supergeleidende BEC's puur theoretisch, maar we hebben dit nu in het laboratorium aangetoond met een nieuw materiaal op basis van ijzer en selenium (een niet-metalen element)."

Dit is de eerste keer dat een BEC experimenteel is geverifieerd om te werken als een supergeleider; echter, andere manifestaties van materie, of regimes, kan ook leiden tot supergeleiding. Het Bardeen-Cooper-Shrieffer (BCS)-regime is een zodanige rangschikking van materie dat wanneer afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt, de samenstellende atomen vertragen en line-up, waardoor elektronen gemakkelijker kunnen passeren. Dit brengt effectief de elektrische weerstand van dergelijke materialen tot nul. Zowel BCS als BEC vereisen vrieskoude omstandigheden en beide hebben betrekking op het vertragen van atomen. Maar deze regimes zijn verder heel anders. Voor een lange tijd, onderzoekers zijn van mening dat een meer algemeen begrip van supergeleiding zou kunnen worden bereikt als deze regimes op de een of andere manier zouden kunnen overlappen.

"Het aantonen van de supergeleiding van BEC's was een middel om een ​​doel te bereiken; we hoopten echt de overlap tussen BEC's en BCS's te onderzoeken, "Zei Okazaki. "Het was een enorme uitdaging, maar ons unieke apparaat en onze observatiemethode hebben het geverifieerd:er is een soepele overgang tussen deze regimes. En dit duidt op een meer algemene onderliggende theorie achter supergeleiding. Het is een spannende tijd om op dit gebied te werken."

Okazaki en zijn team gebruikten de methode van laser-gebaseerde foto-emissiespectroscopie met ultralage temperatuur en hoge energieresolutie om te observeren hoe elektronen zich gedroegen tijdens de overgang van een materiaal van BCS naar BEC. Elektronen gedragen zich verschillend in de twee regimes en de verandering daartussen helpt om enkele hiaten in het grotere geheel van supergeleiding op te vullen.

Supergeleiding is echter niet alleen een curiositeit in het laboratorium; supergeleidende apparaten zoals elektromagneten worden al in toepassingen gebruikt, de Large Hadron Collider, 's werelds grootste deeltjesversneller, zo'n voorbeeld zijn. Echter, zoals hierboven uitgelegd, deze vereisen ultrakoude temperaturen die de ontwikkeling van supergeleidende apparaten verbieden die we elke dag zouden kunnen verwachten. Het is dus geen verrassing dat er grote interesse is in het vinden van manieren om supergeleiders te vormen bij hogere temperaturen, misschien op een dag zelfs op kamertemperatuur.

"Met overtuigend bewijs van supergeleidende BEC's, Ik denk dat het andere onderzoekers ertoe zal aanzetten om supergeleiding bij steeds hogere temperaturen te onderzoeken, "zei Okazaki. "Voor nu klinkt het misschien als sciencefiction, maar als supergeleiding kan optreden bij kamertemperatuur, ons vermogen om energie te produceren enorm zou toenemen, en onze energiebehoefte zou afnemen."