Djupt inuti fasta ämnen, enskilda elektroner zip runt på en nanoskala motorväg belagd med atomer. För det mesta, dessa elektroner undviker varandra, hålls i separata körfält genom deras ömsesidiga avstötning. Men vibrationer i atomvägen kan suddiga ut sina körfält och ibland låta de små partiklarna paras ihop. Resultatet är smidiga och förlustfria resor, och det är ett sätt att skapa supraledning.

Men det finns andra, mindre vanliga sätt att uppnå denna effekt. Forskare från University of Maryland (UMD), University of California, Irvine (UCI) och Fudan University har nu visat att små magnetiska skakningar leder till supraledning i ett material tillverkat av metalliska nanoskikt. Och, bortom det, de resulterande elektronparen krossar en grundläggande symmetri mellan dåtid och framtid. Även om materialet är en känd superledare, dessa forskare tillhandahåller en teoretisk modell och mätning, som, för första gången, avslöjar entydigt materialets exotiska natur.

I kvantmaterial, att bryta symmetrin mellan det förflutna och framtiden betyder ofta okonventionella faser av materia. Nickel-vismut (Ni-Bi) -provet som studeras här är det första exemplet på ett 2-D-material där denna typ av supraledning är inneboende, vilket betyder att det händer utan hjälp av externa agenter, till exempel en närliggande superledare. Dessa fynd, nyligen publicerad i Vetenskapliga framsteg , göra Ni-Bi till ett tilltalande val för användning i framtida kvantdatorer. Denna forskning kan också hjälpa forskare att leta efter andra liknande konstiga superledare.

Mehdi Kargarian, en postdoktor vid UMD och medförfattare till uppsatsen, förklarar att även efter ett sekel av studier, supraledning är fortfarande ett levande forskningsområde. "Det är ett ganska gammalt problem, så det är förvånande att människor fortfarande upptäcker typer av supraledning i labbet som är utan motstycke, "Kargarian säger, tillägger att det vanligtvis är två frågor forskare ställer till en ny superledare. "Först, vi vill förstå den bakomliggande elektronparningen - vad som orsakar supraledningen, "säger han." Det andra, relaterade till applikationer, är att se om supraledning är möjlig vid högre temperaturer. "

Superledare, särskilt de exotiska typerna, förblir i stort sett kedjade till otålig kryogen utrustning. Forskare söker efter sätt att driva supraledande temperaturer högre, vilket gör dessa material lättare att använda för saker som förbättrad elfördelning och byggande av kvantanordningar. I denna nya forskning, laget tar sig an Kargarians första fråga och materialet antyder en positiv syn på den andra frågan. Dess exotiska supraledning, även om det fortfarande är kryogent, förekommer vid en högre temperatur jämfört med andra liknande system.

Ni-Bi supraledning observerades första gången i början av 1990-talet. Men senare, när forskare vid Fudan University publicerade studier av ett ultrarent, ultratunt prov, de märkte något ovanligt som hände.

Det konstiga börjar med själva superledningen. Bismut ensam är inte en superledare, utom under utomordentligt låga temperaturer och högt tryck - förhållanden som inte är lätta att uppnå. Nickel är magnetiskt och inte en superledare. Faktiskt, starka magneter är kända för att undertrycka effekten. Detta innebär att för mycket nickel förstör supraledningen, men en liten mängd inducerar det.

UMD -teoretiker föreslog att fluktuationer i nickels magnetism är kärnan i denna speciella effekt. Dessa små magnetiska skakningar hjälper elektroner att bilda par, gör således arbetet som utförs av vibrationer i konventionella superledare. Om det finns för mycket nickel, magnetismen dominerar och effekten av fluktuationerna minskar. Om det finns för mycket vismut, sedan den övre ytan, där supraledning sker, är för långt bort från källan till magnetiska fluktuationer.

Guldlockszonen uppstår när ett tjugo nanometer tjockt vismutskikt odlas ovanpå två nanometer nickel. För denna lagerkombination, supraledning sker vid cirka 4 grader över absolut noll. Även om detta är ungefär lika kallt som djupt utrymme, det är faktiskt ganska labbvänligt och kan nås med standard kryogen utrustning.

Tanken att magnetiska fluktuationer kan främja supraledning är inte ny och går tillbaka till slutet av 1900 -talet. Dock, de flesta tidigare exempel på sådant beteende kräver strikta driftsförhållanden, som högt tryck. Forskarna förklarar att Ni-Bi är annorlunda eftersom enkel kylning är tillräckligt för att uppnå denna typ av exotisk supraledning, som bryter tidssymmetri.

Forskarna använde en mycket anpassad apparat för att söka efter tecken på den brutna symmetrin. Ljus ska rotera när det reflekteras från prover som har denna egenskap. För Ni-Bi, den förväntade mängden ljusrotation är tiotals nanoradianer, vilket är cirka 100 miljarder av en fästing på ett urtavla. Jing Xia, medförfattare till tidningen och professor vid UCI, har en av de enda enheterna i världen som kan mäta en sådan omärklig ljusrotation.

För att mäta denna rotation för Ni-Bi, ljusvågor injiceras först i ena änden av en enda speciell optisk fiber. De två vågorna färdas genom fibern, som på oberoende vägar. De träffade provet och spårade sedan sina vägar. Vid återkomst, vågorna kombineras och bildar ett mönster. Ljusvågornas rotation - från, säga, symmetri bryts - kommer att dyka upp i det analyserade mönstret som små översättningar. Xia och hans kollegor vid UCI mätte runt 100 nanoradianer av rotation, bekräftar den trasiga symmetrin. Viktigt, effekten visade sig precis som Ni-Bi-provet blev en superledare, vilket tyder på att den brutna tidssymmetrin och utseendet på supraledning är starkt kopplade.

Denna form av supraledning är sällsynt och forskare säger att det fortfarande inte finns något recept för att få det att hända. Men, som Xia påpekar, det finns vägledning i matematiken bakom elektronbeteendet. "Vi vet matematiskt hur man får elektronpar att bryta tidsomvändningssymmetri, "Säger Xia. Praktiskt taget, hur uppnår du detta formellt? Det är miljonfrågan. Men min instinkt är att när du får magnetfluktuationsförmedlad supraledning, som i detta material, då är det mycket troligt att du får bryta den symmetrin. "