Med ultrakylda atomer, forskare vid Heidelberg University har hittat ett exotiskt tillstånd av materia där de ingående partiklarna paras ihop när de begränsas till två dimensioner. Fynden från kvantfysikens område kan innehålla viktiga ledtrådar till spännande fenomen med supraledning. Resultaten publicerades i Vetenskap .

Superledare är material genom vilka elektricitet kan strömma utan motstånd när de har kylts under en viss kritisk temperatur. Den tekniskt mest relevanta materialklassen, med exceptionellt höga kritiska temperaturer för supraledning, är dåligt förstådd. Det finns bevis, dock, att för att supraledning ska ske, en viss typ av partiklar - fermionerna - måste paras ihop. Dessutom, forskning har visat att material som blir supraledande vid relativt höga temperaturer har strukturer i skikt. "Detta innebär att elektroner i dessa system bara kan röra sig i tvådimensionella plan", förklarar prof. dr. Selim Jochim från Heidelberg University's Institute for Physics, som leder projektet. "Det vi inte förstod förrän nu var hur samspelet mellan parning och dimensionalitet kan leda till högre kritiska temperaturer."

För att utforska denna fråga, forskare vid Center for Quantum Dynamics utförde experiment där de begränsade en gas av ultrakylda atomer i tvådimensionella fällor som de skapade med fokuserade laserstrålar. "I fasta material som kopparoxider, det finns många olika effekter och föroreningar som gör det svårt att studera dessa material. Det är därför vi använder ultrakylda atomer för att simulera beteendet hos elektroner i fasta ämnen. Detta gör att vi kan skapa mycket rena prover och ger oss full kontroll över de väsentliga systemparametrarna ", säger Puneet Murthy, en doktorsexamen student vid Center for Quantum Dynamics vid Heidelberg University och en av huvudförfattarna till denna publikation.

Med hjälp av en teknik som kallas radiofrekvensspektroskopi, forskarna mätte atomernas svar på en radiovågspuls. Från detta svar, de kunde avgöra exakt om partiklarna var parade eller inte och på vilket sätt. Dessa mätningar utfördes också för olika styrkor av interaktion mellan fermioner. Under experimentens gång forskarna upptäckte ett exotiskt tillstånd av materia. Teori säger att fermioner med en svag interaktion bör kopplas ihop vid den temperatur vid vilken de blir supraledande. Dock, när forskarna ökade samspelet mellan fermioner, de fann att parning skedde vid temperaturer som var flera gånger högre än den kritiska temperaturen.

"För att uppnå vårt yttersta mål att bättre förstå dessa fenomen, vi börjar med små system som vi sätter ihop atom för atom ", säger prof. Jochim.