Nu komen we bij de controversiële kwestie van het werk gepubliceerd in Physical Review Letters waar ik co-auteur van ben:Kunnen we een supergeleider maken zonder het gebruik van welk materiaal dan ook, door alleen een magnetisch veld te gebruiken? Deze vraag klinkt zowel controversieel als niet bijzonder slim, gezien wat we tot nu toe hebben beschreven.

Ten eerste hebben we, om een ​​supergeleidende toestand te bereiken, materie nodig, in de vorm van koperparen. Ten tweede lijkt het erop dat we moeten voorkomen dat we deze toestand blootstellen aan te sterke magnetische velden, omdat deze de supergeleidende stroom kunnen vernietigen.

De niet-materiële eis betekent dat we worden aangemoedigd om met 'niets' te werken als ons... nou ja, 'materieel'. Hier betekent ‘niets’ het meest lege niets dat we kunnen bereiken, dat wil zeggen:een vacuüm. Het vacuüm bevat per definitie geen materie, geen deeltjes en geen energie. Het toepassen van een sterk magnetisch veld op het vacuüm klinkt als een hopeloos idee, omdat het magnetische veld er niets in te beïnvloeden heeft.

Het vacuüm is echter niet helemaal leeg, dankzij het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, een hoeksteen van de kwantumfysica. Het vacuüm beweegt met de activiteit van virtuele deeltjes die opduiken en korte tijd verdwijnen, waardoor een kokende soep van kwantumfluctuaties ontstaat.

Ons team heeft met behulp van geavanceerde numerieke simulaties op basis van het eerste principe aangetoond dat een voldoende sterk magnetisch veld ervoor zorgt dat deze kwantumfluctuaties zich materialiseren in de vorm van een vaste stof. Deze vaste stof lijkt te zijn gemaakt van vortexachtige materie, waarbij de individuele wervels ongeveer langs het magnetische veld zijn gestroomlijnd. Het bestaan ​​van een dergelijke vaste stof werd eind jaren tachtig verondersteld, waarbij een eerste beginselbewijs voor het bestaan ​​ervan vóór ons werk ontbrak.

Om onze bevindingen nog ingewikkelder te maken, vermelden we dat deze exotische vaste stof ook specifieke kenmerken van een vloeistof heeft:de wervels wiebelen en bewegen, zoals in een vloeistof, maar blijven ongeveer gefixeerd op bepaalde posities, zoals in een vaste stof. In tegenstelling tot een typische vaste stof nemen we op geen enkel moment een kristalstructuur waar. In tegenstelling tot een vloeistof wisselen de vortexbestanddelen van dit vreemde materiaal hun ruimtelijke posities niet uit.

Nog raadselachtiger is dat de resultaten van onze analyse sterk impliceren dat deze toestand die uit het vacuüm ontstaat een... supergeleider is. Dat gezegd hebbende, herinneren we ons misschien het eerste deel van dit verhaal waarin werd uitgeroepen tot het magnetische veld als vijand van supergeleiding. Deze laatste bewering kan echter niet langer worden toegepast op onze supergeleiding, die letterlijk uit het niets voortkomt... door hetzelfde magnetische veld.

Nu we deze buitenaardse kenmerken van vacuümsupergeleiding hebben verklaard, is het waarschijnlijk geen verrassing dat deze vreemde supergeleidende substantie met vaste stof-vloeistofvortex – laten we het ‘substantie’ noemen – ook nog een andere eigenschap bezit:superfluïditeit. De superfluïditeit – een elektrisch neutrale neef van supergeleiding – impliceert dat de stof in kwestie een vloeistofachtige component herbergt die in staat is te stromen zonder viscositeit.

Hoewel supergeleiding en superfluïditeit van vacuüm door een co-auteur van de huidige studie uit 2010 zijn verondersteld, komt de vloeibare aard van de vortextoestand als een verbazingwekkende verrassing.

Kortom, de ontdekte staat is een van de meest exotische ‘iets’ ooit. Misschien omdat dit ‘iets’ letterlijk uit ‘niets’ is ontstaan.

Een nieuwsgierige lezer zou zich nu redelijkerwijs kunnen afvragen wat de sterkte is van het magnetische veld dat nodig is om deze stof te produceren? Het is niet iets dat gemaakt kan worden met behulp van bijvoorbeeld een koelkastmagneet. En uit welke virtuele deeltjes is het precies gemaakt?

Om de supergeleidende vacuümtoestand te bereiken, moeten de magnetische velden ongeveer 0,74×10 ²⁰ bereiken Tesla (74 exatesla, waarbij één exatesla gelijk is aan eenheid gevolgd door 18 nullen). Deze kracht is veel sterker dan die te vinden is in onze koelkastmagneet, die je tegenkomt bij een onderzoek op de MRI, of zelfs gecreëerd wordt in de meest geavanceerde laboratoria op aarde. Het is veel sterker dan het veld in het binnenste van witte dwergen of zelfs rond de sterkste gemagnetiseerde neutronenstart, magnetars.

Wat het deeltjesgehalte betreft, wordt de supergeleiding bereikt door de condensatie van elektrisch geladen W-bosonen. Tegelijkertijd wordt de superfluïditeit in stand gehouden door het naast elkaar bestaande condensaat van neutrale Z-bosonen.

Op dit punt kan men nog een andere vraag stellen:als we het magnetische veld nog verder vergroten, zouden deze wervels dan robuuster worden en een kristal vormen? Het antwoord is negatief. In plaats daarvan hebben onze simulaties iets nog verbazingwekkenders onthuld dat iets te maken heeft met het beroemde Higgs-condensaat. Dit condensaat is een bouwsteen van het Standaardmodel dat massa geeft aan deeltjes zoals quarks en elektronen en het universum om ons heen maakt zoals wij het kennen.

We hebben ontdekt dat bij een hoger, tweede kritisch magnetisch veld met een sterkte van 260 exatesla de supergeleidende vorm van het vacuüm "smelt" (bij een temperatuur van nul!), en overgaat in nog een andere toestand waarin het condensaat van het Higgsveld verdwijnt. Deze hoge veldtoestand lijkt op een toestand waarin ons universum jonger was dan één eerste picoseconde. De theoretische suggestie van het verdwijnen van het Higgscondensaat in een sterk magnetisch veld dateert uit het midden van de jaren zeventig en is pas zeer recent in ons werk terug te vinden.

Onze bevindingen zijn niet alleen een theoretische curiositeit. Zoals in 2021 wordt verondersteld, kunnen dergelijke sterke velden bestaan ​​in kwantumatmosferen boven de waarnemingshorizon van exotische, sterk gemagnetiseerde zwarte gaten. Daarom zou de vreemde supergeleidende, supervloeibare, vaste en vloeibare toestand van het vacuüm kunnen zijn ontstaan ​​in de loop van de evolutie van ons universum, of zelfs op dit moment kunnen bestaan.

Het is echter een ander – nu astrofysisch – verhaal.

Dit verhaal maakt deel uit van Science X Dialog, waar onderzoekers bevindingen uit hun gepubliceerde onderzoeksartikelen kunnen rapporteren. Bezoek deze pagina voor informatie over ScienceX Dialog en hoe u kunt deelnemen.

Meer informatie: M. N. Chernodub et al., Fasestructuur van elektrozwak vacuüm in een sterk magnetisch veld:de roosterresultaten, Fysieke beoordelingsbrieven (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.130.111802

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

Maxim Chernodub is Directeur de Recherche CNRS (een senior wetenschapper) bij Institut Denis Poisson, Tours, Frankrijk, leider van de Field Theory-groep. De onderzoeksinteresses van Chernodub omvatten de kwantumveldentheorie, de fysica van de gecondenseerde materie en de zwaartekracht.