In een doorbraak die ons begrip van supergeleiding zou kunnen verdiepen, is een team van natuurkundigen erin geslaagd de allereerste momentopnamen te maken van fermionparen – de fundamentele bouwstenen van supergeleiders. Deze prestatie biedt cruciale inzichten in hoe elektronen op elkaar inwerken en de Cooper-paren vormen die verantwoordelijk zijn voor de opmerkelijke eigenschappen van supergeleiders, zoals hun vermogen om elektriciteit zonder weerstand te geleiden.

Het onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Nature, werd uitgevoerd door wetenschappers van het California Institute of Technology (Caltech). Met behulp van een combinatie van geavanceerde technologieën, waaronder een ultrakoud atomair gas en beeldvormingstechnieken met hoge resolutie, kon het team kleine wolken van fermionische atomen creëren en observeren die op elkaar inwerken en paren vormen.

De kern van supergeleiding ligt in het fenomeen ‘pairing’. Wanneer bepaalde materialen tot onder een kritische temperatuur worden afgekoeld, beginnen sommige van hun elektronen zich te paren en vormen ze Cooper-paren. Deze paren bewegen zich perfect synchroon, verliezen feitelijk hun individuele identiteit en gedragen zich als één samenhangende entiteit. Deze ‘superfluïde’ toestand zorgt ervoor dat elektronen zonder enige weerstand kunnen stromen, waardoor supergeleiders van onschatbare waarde zijn in verschillende toepassingen, van krachtoverbrenging tot medische beeldvorming.

"Het mysterie van hoe de paren ontstaan, houdt natuurkundigen al tientallen jaren in de ban", legt professor Caltech, hoofdauteur van het onderzoek, uit. "De snapshots die we hebben verkregen, helpen ons de dynamische processen die betrokken zijn bij Cooper-koppeling te visualiseren en te begrijpen en de basis te leggen voor het bestuderen van complexere systemen met gecondenseerde materie, zoals die gevonden in supergeleiders bij hoge temperaturen."

In hun experimenten gebruikten de natuurkundigen van Caltech een gas van ytterbiumatomen dat was afgekoeld tot ultrakoude temperaturen, bijna het absolute nulpunt. Door de interacties tussen de atomen met nauwkeurige laserpulsen te controleren, konden ze wolken van fermionparen produceren die elk uit twee atomen bestonden. Terwijl deze paren zich uitbreidden en verspreidden, maakten de onderzoekers prachtige beelden met behulp van een beeldvormingssysteem met hoge resolutie.

De verkregen beelden onthulden duidelijk de ruimtelijke verdeling van de fermionparen, inclusief hun momentum- en energietoestanden. Deze gedetailleerde observaties stelden de natuurkundigen in staat de onderliggende fysica van het koppelingsproces en de implicaties ervan voor de supergeleiding te begrijpen.

Naarmate er meer inzicht wordt verkregen in Cooper-paring en supergeleiding, opent dit het potentieel voor de ontwikkeling van nieuwe supergeleidermaterialen met verbeterde efficiëntie en prestaties. Dit zou een revolutie teweeg kunnen brengen in industrieën over het hele spectrum, waardoor de elektriciteitsnetwerken zouden worden verbeterd, medische beeldvormingsapparatuur zou worden verbeterd en toekomstige hogesnelheidsspoorsystemen van stroom zouden kunnen worden voorzien. Het onderzoek dat in Nature wordt gepresenteerd vertegenwoordigt een aanzienlijke vooruitgang in deze zoektocht en luidt een nieuw tijdperk van onderzoek in de wereld van supergeleiding in.