Världen på andra sidan av Alice i Underlandets utseende är inte vad den verkar, men den spegelliknande fysiken hos övergången mellan supraledare och isolator fungerar precis som förväntat.

Forskare vet att detta är sant efter observationen av ett anmärkningsvärt fenomen, vars existens förutspåddes för tre decennier sedan men som hade undgått experimentell upptäckt tills nu. Observationen bekräftar att grundläggande kvanttillstånd, supraledning och superisolering, båda uppstår i spegelliknande bilder av varandra, vilket kan leda till utveckling av superkänsliga och energieffektiva sensorer, detektorer och logiska omkopplare för vetenskap och kommunikation, minneslagring och andra framväxande teknologier.

"Beteendet vi har visat är exakt det beteende som förutspåddes och förväntades, sade Valerii Vinokur, en Argonne Distinguished Fellow i materialvetenskapsavdelningen vid U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory.

Vinokur och hans kollegor observerade fenomenet, kallas övergången Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT), i en mikroskopiskt tunn film av supraledande niobtitannitrit. Laddnings-BKT-övergången är den spegelliknande motsvarigheten till virvel-BKT-övergången som forskare har observerat många gånger i supraledande material. Vinokur och hans medarbetare vid California Institute of Technology och Novosibirsk University i Ryssland publicerade sina resultat online den 6 mars, 2018, i Vetenskapliga rapporter .

"Experimenten som utförts av vårt team fastställer definitivt existensen av det superisolerande tillståndet och giltigheten av dess grundläggande koncept, inklusive det grundläggande konceptet laddning-virveldualitet, sa Vinokur, som också är Senior Fellow vid University of Chicagos Computation Institute. "De grundläggande begreppen bakom vår kunskap om universum på dess djupaste nivå är baserade på begreppet dualitet."

Dualitetskonceptet i fysiken menar att grundläggande uppsättningar av fenomen till synes utesluter varandra men representerar två sidor av ett mynt. Det mest kända exemplet på dualitet är våg-partikeldualiteten av ljus som uppträder i kvantvärlden. Superisolerande och supraledande material, som är raka motsatser, realisera dualitet mellan elektriska och magnetiska effekter. Istället för att överföra elektrisk ström utan strömförlust, som supraledare gör, superisolatorer stänger helt av flödet av laddningar under en pålagd spänning. Detta betyder att speglade supraledare har oändlig konduktans, medan superisolatorer har oändligt motstånd.

Det senaste fyndet bygger på arbete som publicerades 2008 av Vinokur och hans medarbetare som experimentellt fastställde existensen av det superisolerande tillståndet, samtidigt som det föreslås att det "speglar" beteendet som inträffar i det supraledande tillståndet, härleda det från det mest grundläggande kvantbegreppet, osäkerhetsprincipen. Teoretiska fysiker vid CERN (det europeiska partikelfysiklaboratoriumet), universitetet i Genève och universitetet i Perugia—Cristina Diamantini, Carlo Trugenberger och Pascuale Sodano - hade förutspått existensen av detta superisolerande tillstånd, dubbel till supraledning, 1996. Men så oväntat var upptäckten av det superisolerande tillståndet att Vinokurs team till en början inte var medvetna om förutsägelsen.

BKT-övergången som ligger till grund för supraledare-isolatordualiteten är uppkallad efter den sene Vadim Berezinskii, Michael Kosterlitz och David Thouless. Kosterlitz och Thouless samarbetade i början av 1970-talet för att utveckla sin teori om topologiska fasövergångar, som är ganska olik de fasövergångar som var allmänt kända i den vardagliga fysiken vid den tiden.

Dessa sedvanliga fasövergångar visar sig som en abrupt förändring i materiens tillstånd som att is smälter till vatten, eller vatten som kokar till ånga, vid någon kritisk temperatur. Topologiska fasövergångar är snarare som att lösa upp knutarna i en slips, dock. "Du har en tydlig förändring av systemets egenskaper utan att göra några synliga materialförändringar i slipsens egenskaper, " sa Vinokur.

Berezinskii hade självständigt utvecklat liknande idéer, så småningom ledde till många observationer av virvel-BKT-övergångar i tusentals supraledningsexperiment under decennierna. Dock, tills nu, forskare hade aldrig slutgiltigt observerat den spegelliknande reflektionen av virvel-BKT-övergången – laddnings-BKT-övergången – på den superisolerande sidan av supraledare-isolatorövergången.

Kosterlitz, Thouless och Duncan Haldane delade 2016 års Nobelpris i fysik för "teoretiska upptäckter av topologiska fasövergångar och topologiska faser av materia, " efter att ha utvecklat de avancerade matematiska metoder som behövs för att förklara fasövergångarna som inträffar i ovanliga materiatillstånd, inklusive supraledande material och tunna magnetiska filmer.

En framtida forskningsväg för Vinokur och hans kollegor kommer att vara att höja temperaturen vid vilken deras niobtitannitritförening övergår till det superisolerande tillståndet. Övergångstemperaturen är nu mellan 100 och 200 millikelvin, vilket bara är en bråkdel av en grad över den absoluta nollpunkten (minus 459,6 grader Fahrenheit). Men att höja övergångstemperaturen till 4 kelvin (minus 452,4 grader Fahrenheit) skulle utgöra ett tekniskt genombrott.

"Detta betyder att vi kan använda dessa material i rymden, eftersom 4 kelvin är rymdens temperatur, ", sa Vinokur. Möjliga rymdapplikationer för sådana superisolerande material inkluderar superkänsliga detektorer för mätning av elektromagnetisk strålning och andra fenomen, och strömbrytare för elektroniska enheter, som energibesparande dioder.