Fysiker har hittat "elektronparning, "ett kännetecken för supraledning, vid temperaturer och energier långt över den kritiska tröskeln där supraledning sker.

Rice Universitys Doug Natelson, co-motsvarande författare till ett papper om arbetet i veckans Natur , sade upptäckten av Cooper -par elektroner "en bit över den kritiska temperaturen kommer inte att vara" galet överraskande "för vissa människor. Det som är mer konstigt är att det ser ut som att det finns två olika energivågor. Det finns en högre energiskala där paren bildas, och det finns en lägre energiskala där de alla bestämmer sig för att gå samman och agera kollektivt och sammanhängande, beteendet som faktiskt leder till supraledning. "

Elektriskt motstånd är så vanligt i den moderna världen att de flesta av oss tar det för givet att datorer, smartphones och elektriska apparater värms upp under användning. Den uppvärmningen sker eftersom elektricitet inte flödar fritt genom metalltrådarna och kiselskivorna inuti enheterna. Istället, flytande elektroner stöter ibland på atomer eller varandra, och varje kollision ger lite värme.

Fysiker har sedan 1911 vetat att elektricitet kan flöda utan motstånd i material som kallas superledare. Och 1957, de kom på varför:Under specifika förhållanden, inklusive vanligtvis mycket kalla temperaturer, elektroner går ihop i par - något som normalt är förbjudet på grund av deras ömsesidiga avstötning - och som par, de kan flöda fritt.

"För att få supraledning, den allmänna känslan är att du behöver par, och du måste uppnå någon form av sammanhang bland dem, "sa Natelson, som samarbetade i forskningen med experter på Rice, Brookhaven National Laboratory och University of Connecticut. "Frågan, under en lång tid, var, 'När får du par?' För i konventionella superledare så snart du bildade par, sammanhang och supraledning skulle följa. "

Elektronpar är uppkallade efter Leon Cooper, fysikern som först beskrev dem. Förutom att förklara klassisk supraledning, fysiker tror att Cooper-par åstadkommer supraledning vid hög temperatur, en okonventionell variant som upptäcktes på 1980 -talet. Det kallades "hög temperatur" eftersom det förekommer vid temperaturer som, även om det fortfarande är väldigt kallt, är betydligt högre än klassiska supraledare. Fysiker har länge drömt om att göra högtemperatur superledare som arbetar vid rumstemperatur, en utveckling som radikalt skulle förändra hur energi produceras, flyttas och används över hela världen.

Men medan fysiker har en klar förståelse för hur och varför elektronparning sker i klassiska superledare, Detsamma kan inte sägas om högtemperatur supraledare som lantan strontium kopparoxid (LSCO) i den nya studien.

Varje superledare har en kritisk temperatur vid vilken elektrisk motstånd försvinner. Natelson sa att teorier och studier av kopparoxid-superledare under de senaste 20 åren har föreslagit att Cooper-par bildas över denna kritiska temperatur och bara blir sammanhängande rörliga när materialet kyls till den kritiska temperaturen.

"Om det är sant, och du har redan fått par vid högre temperaturer, frågan är, "Kan du också få sammanhållning vid dessa temperaturer?" "Natelson sa." Kan du på något sätt övertyga dem att börja sin dans i regionen som kallas pseudogap, ett fasutrymme vid högre temperaturer och energivågor än den superledande fasen. "

I Natur studie, Natelson och kollegor fann bevis på denna högre energiparning i ledningsbruset i ultrarena LCSO -prover som odlats i laboratoriet av Brookhaven's Ivan Božović, med motsvarande författare till studien.

"Han odlar det bästa materialet i världen, och våra mätningar och slutsatser var bara möjliga på grund av renheten hos dessa prover, "Sa Natelson." Han och hans team tillverkade enheter som kallas tunnelleder, och istället för att bara titta på den elektriska strömmen, vi tittade på fluktuationer i strömmen som kallas skottbrus.

"I de flesta fallen, om du mäter ström, du mäter ett genomsnitt och ignorerar det faktum att ström kommer i bitar av laddning, "Sa Natelson." Det är ungefär som skillnaden mellan att mäta den genomsnittliga dagliga nederbörden i ditt hem i motsats till att mäta antalet regndroppar som faller vid varje given tidpunkt. "

Genom att mäta variationen i den diskreta mängden elektrisk laddning som flödar genom LCSO -korsningar, Natelson och kollegor fann att passage av enstaka elektroner inte kunde redogöra för mängden laddning som flödar genom korsningarna vid temperaturer och spänningar långt över den kritiska temperaturen där supraledning uppstod.

"En del av avgiften måste komma i större bitar, vilka är paren, "sa han." Det är ovanligt, eftersom i en konventionell superledare, när du går över den karakteristiska energiskalan som är förknippad med supraledning, paren slits sönder, och du ser bara enstaka avgifter.

"Det ser ut som att LCSO innehåller en annan energiskala där paren bildas men ännu inte verkar kollektivt, "Sa Natelson." Folk har tidigare erbjudit teorier om den här typen av saker, men detta är det första direkta beviset för det. "

Natelson sa att det är för tidigt att säga om fysiker kan använda den nya kunskapen för att locka par att flöda fritt vid högre temperaturer i okonventionella superledare. Men Božović sa att upptäckten har "djupgående konsekvenser" för teoretiska fysiker som studerar högtemperatur superledare och andra typer av kondenserad materia.

"På något vis, lärobokskapitlen måste skrivas om, "Sade Božović." Från denna studie, det verkar som om vi har en ny typ av metall, i vilken en betydande bråkdel av den elektriska strömmen bärs av elektronpar. På den experimentella sidan, Jag förväntar mig att denna upptäckt kommer att utlösa mycket uppföljningsarbete-till exempel använder samma teknik för att testa andra koppar eller supraledare, isolatorer och skikttjocklekar. "