Extraordinära saker händer vid låga temperaturer. Ett av de bästa exemplen är supraledning, ett fenomen där det elektriska motståndet hos ett fast ämne sjunker till noll under en kritisk temperatur. Känd i ett sekel, supraledning har nu tillämpningar inom vetenskap och industri. Fysik- och kemistudenter kan till och med göra sina egna svävande magneter från supraledande legeringar.

De flesta superledare, som de flesta fasta ämnen, är kristallina, med atomstrukturer byggda av periodiskt upprepade celler. Sedan 1980 -talet har en alternativ form av fast, kvasikristallen (QC), har blivit framträdande. Även om QC har symmetri, som kristaller, de har inga repetitionsenheter. Denna brist på periodicitet resulterar i ovanliga elektroniska strukturer. Nu, i en studie i Naturkommunikation , ett forskargrupp som leds av Nagoya University har upptäckt supraledning i en QC för första gången.

Teamet studerade en legering av aluminium, zink och magnesium. Den kristallina versionen är känd för att vara supraledande. Dock, strukturen för Al-Zn-Mg beror på förhållandet mellan de tre elementen. Teamet fann att Al hade en avgörande effekt på legeringens egenskaper. Som första författaren Keisuke Kamiya noterar, "När vi minskade Al -innehållet samtidigt som vi höll Mg -innehållet nästan konstant, den kritiska temperaturen för supraledning minskade först gradvis från ~ 0,8 till ~ 0,2 K. vid 15% Al, två saker hände:legeringen förvandlades till en kvaskristall, och den kritiska temperaturen sjönk till ~ 0,05 K. "

Denna extremt låga kritiska temperatur, bara 1/20 av en grad över absolut noll, förklarar varför supraledning i QC har visat sig vara så svårt att uppnå. Ändå, QC -legeringen visade två arketypiska egenskaper hos superledare:ett hopp i specifik värme vid den kritiska temperaturen, och det nästan totala uteslutandet av magnetflöde från insidan, känd som Meissner -effekten.

Superledning i konventionella kristaller är nu väl förstådd. Vid tillräckligt låg temperatur, de negativt laddade elektronerna övervinner deras ömsesidiga avstötning och lockar varandra, går ihop i par. Dessa "Cooper-par" sammanfaller till ett Bose-Einstein-kondensat, ett kvanttillstånd av materia med noll elektrisk motstånd. Dock, attraktionen mellan elektroner förlitar sig på deras interaktion med det fasta gallret, och konventionell teori antar att detta är en periodisk kristall, snarare än en QC.

För ursprunget för supraledning i QC -legeringen, laget övervägde tre möjligheter. Det mest exotiska var "kritiska egenstater":speciella elektroniska tillstånd hittades bara nära absolut noll. De elektroniska egenstaterna förlängs i kristaller, och lokaliserad i slumpmässiga fasta ämnen, men den rumsliga omfattningen av de kritiska egenstaterna i QC - som varken är periodiska eller slumpmässiga - är oklar. Dock, laget utesluter dem baserat på deras mätningar. Det ledde tillbaka till Cooper -par, antingen i den utökade eller den mindre vanliga sorten med "svag koppling". Faktiskt, legeringen liknade nära en typisk svagt kopplad superledare.

"Det är intressant att superledningen för denna legering inte var kopplad till dess kvaskristallinitet, men liknade det i så kallade smutsiga kristaller, "säger motsvarande författare Noriaki K. Sato." Men teorin om kvasikristaller förutsäger också en annan form av supraledning, baserat på fraktal geometri i QC:er. Vi tror att det finns en stark möjlighet att fraktal supraledning ger åtminstone ett visst bidrag, och vi skulle vara glada över att äntligen mäta det. "

Artikeln, "Upptäckt av supraledning i kvaskristall, "publicerades i Naturkommunikation .