När du ansluter en apparat eller slår på en strömbrytare, el verkar strömma direkt genom ledningar i väggen. Men egentligen, elektriciteten bärs av små partiklar som kallas elektroner som långsamt driver genom trådarna. På deras resa, elektroner stöter ibland på materialets atomer, ger upp lite energi för varje kollision.

I vilken grad elektroner reser obehindrat avgör hur väl ett material kan leda elektricitet. Miljöförändringar kan förbättra konduktiviteten, i vissa fall drastiskt. Till exempel, när vissa material kyls till kalla temperaturer, elektroner samarbetar så att de kan flyta ohämmade, utan att förlora någon energi alls - ett fenomen som kallas supraledning.

Nu har ett team av forskare från University of Maryland (UMD) Department of Physics tillsammans med medarbetare sett exotisk supraledning som bygger på mycket ovanliga elektroninteraktioner. Även om det förutspås ske i andra icke-materiella system, denna typ av beteende har förblivit svårfångade. Teamets forskning, publicerad i 6 april -numret av Vetenskapliga framsteg , avslöjar effekter som är mycket annorlunda än allt som har setts tidigare med supraledning.

Elektroninteraktioner i superledare dikteras av en kvantegenskap som kallas spin. I en vanlig superledare, elektroner, som bär ett snurr på ½, kopplas ihop och flödar ohämmat med hjälp av vibrationer i atomstrukturen. Denna teori är väl testad och kan beskriva beteendet hos de flesta superledare. I denna nya forskning, laget avslöjar bevis för en ny typ av supraledning i materialet YPtBi, en som verkar komma från spin-3/2-partiklar.

"Ingen hade riktigt trott att detta var möjligt i fasta material, "förklarar Johnpierre Paglione, en UMD -fysikprofessor och seniorförfattare på studien. "Högspinnande tillstånd i enskilda atomer är möjliga, men när du väl har satt ihop atomerna i ett fast ämne, dessa tillstånd brukar bryta isär och du slutar med att snurra en halv. "

Att upptäcka att YPtBi var en superledare överraskade forskarna i första hand. De flesta superledare börjar som någorlunda bra ledare, med många mobila elektroner - en ingrediens som YPtBi saknar. Enligt den konventionella teorin, YPtBi skulle behöva ungefär tusen gånger fler mobila elektroner för att bli supraledande vid temperaturer under 0,8 Kelvin. Och ändå, vid kylning av materialet till denna temperatur, laget såg supraledning hända ändå. Detta var ett första tecken på att något exotiskt pågår inne i detta material.

Efter att ha upptäckt den avvikande supraledande övergången, forskare gjorde mätningar som gav dem inblick i den bakomliggande elektronparningen. De studerade en talande egenskap hos superledare - deras interaktion med magnetfält. När materialet övergår till en superledare, den kommer att försöka slänga ut eventuellt extra magnetfält från dess inre. Men utvisningen är inte helt perfekt. Nära ytan, magnetfältet kan fortfarande komma in i materialet men försvinner sedan snabbt. Hur långt det går in beror på typen av elektronparning, och ändras när materialet kyls ner alltmer.

För att undersöka denna effekt, forskarna varierade temperaturen i ett litet prov av materialet samtidigt som de utsattes för ett magnetfält mer än tio gånger svagare än jordens. En kopparspole som omger provet upptäckte förändringar i superledarens magnetiska egenskaper och tillät laget att känsligt mäta små variationer i hur djupt magnetfältet nådde inuti superledaren.

Mätningen avslöjade ett ovanligt magnetiskt intrång. När materialet värmdes från absolut noll, fältpenetrationsdjupet för YPtBi ökade linjärt istället för exponentiellt som för en konventionell superledare. Denna effekt, kombinerat med andra mätningar och teoriberäkningar, begränsade de möjliga sätten som elektroner kunde koppla ihop. Forskarna drog slutsatsen att den bästa förklaringen till supraledningsförmågan var elektroner förklädda som partiklar med högre snurr - en möjlighet som inte ens hade övervägts tidigare inom ramen för konventionell supraledning.

Upptäckten av denna snurriga superledare har gett en ny riktning för detta forskningsområde. "Vi brukade vara begränsade till att para ihop med snurrande halvpartiklar, "säger Hyunsoo Kim, huvudförfattare och en UMD -assisterande forskare. "Men om vi börjar överväga högre snurr, då expanderar landskapet för denna supraledande forskning och blir bara mer intressant. "

Tills vidare, många öppna frågor återstår, inklusive hur sådan parning skulle kunna ske i första hand. "När du har denna högspinnsparning, vad är det för lim som håller ihop dessa par? "säger Paglione." Det finns några idéer om vad som kan hända, men grundläggande frågor kvarstår-vilket gör det ännu mer fascinerande. "