En teori från 2017 som föreslagits av Rice Universitys fysiker för att förklara det motsägelsefulla beteendet hos en järnbaserad högtemperatursupraledare hjälper till att lösa ett pussel i en annan typ av okonventionell supraledare, den "tunga fermion"-föreningen känd som CeCu ₂ Si ₂ .

Ett internationellt team från USA, Kina, Tyskland och Kanada rapporterade fynden denna vecka i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Studien fokuserade på ett cerium, koppar- och kiselkomposit vars märkliga beteende 1979 hjälpte till att inleda det tvärvetenskapliga området kvantmaterial.

Det året, ett team ledd av Max Planck Institutes Frank Steglich, en medförfattare på PNAS papper, fann att CeCu ₂ Si ₂ blev en supraledare vid extremt kalla temperaturer. Mekanismen för supraledning kunde inte förklaras av existerande teori, och fyndet var så oväntat och ovanligt att många fysiker till en början vägrade att acceptera det. Upptäckten 1986 av supraledning vid ännu högre temperaturer i kopparkeramik kristalliserade intresset inom området och kom att dominera karriären för teoretiska fysiker som Rice's Qimiao Si, a PNAS studie medförfattare och Harry C. och Olga K. Wiess professor i fysik och astronomi.

Si, vars decennierlånga samarbete med Steglich har lett till nästan två dussin referentgranskade studier, sa, "I mina vildaste drömmar, Jag hade inte trott att teorin som vi föreslog för de järnbaserade supraledarna skulle komma tillbaka till den andra delen av mitt liv, som är de tunga fermionsupraledarna."

Tunga fermioner, som högtemperatursupraledare, är vad fysiker kallar kvantmaterial på grund av den nyckelroll som kvantkrafter spelar i deras beteende. I högtemperatursupraledare, till exempel, elektroner bildar par och flyter utan motstånd vid temperaturer som är betydligt varmare än de som behövs för konventionell supraledning. I tunga fermioner, elektroner verkar vara tusentals gånger mer massiva än de borde.

År 2001, Si, som också leder Rice Center for Quantum Materials (RCQM), erbjöd en banbrytande teori att dessa fenomen uppstår vid kritiska övergångspunkter, tipppunkter där förändringar i tryck eller andra förhållanden medför en övergång från ett kvanttillstånd till ett annat. Vid vändpunkten, eller "kvantkritisk punkt, "Elektroner kan utveckla en slags delad personlighet när de försöker gränsa gränsen mellan tillstånd.

Fallet med supraledning illustrerar hur detta kan utspela sig. I en vanlig koppartråd, elektriskt motstånd uppstår när strömmande elektroner stöter och stöter mot atomer i tråden. Varje bula kostar en liten mängd energi, som går förlorad till värme. I supraledare, elektronerna undviker denna förlust genom att paras ihop och flöda unisont, utan några stötar.

Eftersom elektroner är bland de mest asociala av subatomära partiklar, de stöter bort varandra och parar ihop sig endast under extraordinära omständigheter. I fallet med konventionella supraledare, små variationer i avståndet mellan atomerna i en underkyld tråd kan locka elektronerna till ett bekvämlighetsäktenskap. Mekanismen i okonventionella supraledare är annorlunda.

"Vår förenande förståelse är att om två elektroner arbetar riktigt hårt för att stöta bort varandra, det kan fortfarande finnas en attraktionskraft, " sa Si. "Om jag flyttar för att jag inte gillar att vara nära dig, och du gör detsamma, och ändå kan vi inte vara för långt ifrån varandra, det blir en sorts dans. Paren i högtemperatursupraledare rör sig i förhållande till varandra, inte olikt två danspartners som snurrar, även när de rör sig tillsammans över dansgolvet."

2017-teorin som lades fram av Si och dåvarande doktorand Emilian Nica, nu en postdoktorand forskningsassistent vid University of British Columbias Quantum Materials Institute, hävdade att selektiv parning inom atomära orbitaler kunde förklara några förbryllande experimentella resultat från några av supraledarna med högsta temperatur, alkaliska järnselenider.

Vissa experiment hade visat att paren i alkaliska järnselenider betedde sig som om de hade en rörelsemängd på noll, som fysiker refererar till med termen s-våg, medan andra experiment visade att paren hade ett vinkelmoment på två, som fysiker kallar d-våg. Denna skillnad är stor eftersom rörelsemängd är en grundläggande identifierare för elektroner. Precis som äpplen och apelsiner finns i olika papperskorgar vid matbutiken, s-våg- och d-våg-par blandas inte och finns i olika material.

"Vad Nicas tes introducerade var att man kan ha ett supraledande tillstånd där elektronpar associerade med en omloppsbana i ett delskal skiljer sig mycket från de i en annan närbesläktad orbital i samma delskal eftersom de har ett motsatt tecken, " sa Si.

"Anledningen till att vi föreslog detta multi-orbitala parningstillstånd var att mätningar av vissa saker, som magnetiska svar, skulle visa att de alkaliska järnseleniderna hade kanoniska d-vågsegenskaper, och andra mått, som vinkelupplöst fotoemission, avslöjade attribut associerade med s-vågssupraledare.

"Experimenten i den järnbaserade supraledaren hade redan gjorts, och vi gav en förklaring, ett parningstillstånd som var både stabilt och robust, och ändå hade alla dessa till synes motsägelsefulla egenskaper som observerades experimentellt."

När 2017 experiment i Japan avslöjade några förbryllande egenskaper i CeCu ₂ Si ₂ , Si berättade för Steglich att den orbital-selektiva teorin kanske kan förklara dem. Tillsammans, de gick samman med det experimentella teamet av fysikern Huiqiu Yuan, biträdande chef för Center for Correlated Matter vid Zhejiang University i Hangzhou, Kina, att testa idén.

Si och Nicas teori förutspådde att experiment skulle avslöja en specifik uppsättning till synes motsägelsefulla mätningar från CeCu2Si2, förutsatt att materialet kunde kylas till en temperatur som är ännu kallare än tipppunkten som åstadkommer supraledning. Yuans grupp utförde experimenten och bekräftade förutsägelsen.

"Historiska bevis har alltid varit att parningen i detta material är d-våg, " sa Nica. "Men experimenten bekräftade att verkligen, trots alla överväldigande bevis på att det är d-våg, den har en funktion som kallas "helt öppnade luckor" som normalt associeras med s-vågssupraledare. Vår är den enda teorin som hittills erbjudits som kan förklara detta."

Si sa, "Det är oerhört tillfredsställande på flera nivåer. En är att medan fysik av kondenserad materia erbjuder många material som kan vara värd för fascinerande egenskaper, vi söker slutligen förenande principer, speciellt som teoretiker. Jag har aktivt sökt efter dessa förenande principer i flera år, men vi sökte inte aktivt efter en enande förklaring när vi föreslog denna teori. För att se det tillämpas, till sådan effekt, i en annan helt oväntad miljö var en riktig överraskning."