Mätningar på ett supraledande material visar en abrupt övergång mellan en normal metall och en "konstig" metall. Det riktigt konstiga, dock, är att denna plötslighet försvinner när temperaturen sjunker. "Vi har inga teoretiska maskiner för detta, "säger teoretiska fysikern Jan Zaanen, medförfattare till a Vetenskap artikel, "detta är något som bara en kvantdator kan beräkna."

Superledare har gett överraskningar i över ett sekel. År 1911, Heike Kamerlingh Onnes i Leiden upptäckte att kvicksilver kommer att leda elektrisk ström utan motstånd vid 4,2 Kelvin (4,5 grader över absolut noll, eller -273,15 grader Celsius).

Fenomenet förklarades först 1957, och 1986, en ny typ av supraledning upptäcktes i komplexa kopparoxider. Denna högtemperatur supraledning överlever även vid ljumma temperaturer på 92 Kelvin.

Om den kunde förlängas mot rumstemperatur, supraledning skulle innebära oöverträffade teknikapplikationer, men hittills, fenomenet har undvikit en fullständig förklaring. Detta inte på grund av bristande ansträngning från fysiker som Jan Zaanen, medförfattare och husteoretiker med en grupp experimentella fysiker från Stanford som publicerade en artikel i Vetenskap .

Konstig metall

"Jag antar att det kommer att göra intryck, "Zaanen skriver om publikationen." Även för Vetenskap standarder, det här är inte en artikel som är fulländad. "

Sedan 1957 har det har varit känt att supraledning orsakas av elektroner som bildar par, som kan segla genom en kristall obehindrat. Detta händer bara under en kritisk temperatur, Tc. Dock, även över denna temperatur, höga Tc-supraledare uppvisar konstigt beteende. I denna konstiga metallfas, elektroner beter sig inte som i stort sett oberoende partiklar, som de gör i vanliga metaller, men som kollektiv.

Sudi Chen och kollegor vid Stanford University undersökte övergången mellan normalt och konstigt i den superledande kopparoxiden Bi (2212), med hjälp av tekniken ARPES (Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy). I ARPES, intensivt UV -ljus riktas mot provet, bär energi som kan mata ut elektroner från den. Energin och hastigheten hos sådana utkastade elektroner förråder beteendet hos elektroner i provet.

Kokande vatten

Förutom temperaturen, dopningsparametern är avgörande. Genom att anpassa materialets exakta kemi, antalet fritt rörliga laddningsbärare kan varieras, som påverkar egenskaperna.

Vid relativt varma temperaturer, strax över högsta möjliga Tc, övergången mellan den normala och den konstiga metallen sker mellan en dopningsprocent på 19 och 20 procent. Vid denna övergång, Chen och kollegor visar energifördelningen av elektronerna förändras plötsligt. Sådana diskontinuerliga övergångar är vanliga inom fysiken. Ett exempel är kokande vatten:vid övergången från flytande vatten till ånga, densiteten gör ett gigantiskt diskontinuerligt hopp.

Men det konstiga är att i det här fallet, diskontinuiteten försvinner när temperaturen sänks till det supraledande riket:abruptiteten slätar ut, och fastigheterna ändras plötsligt kontinuerligt.

Soptunna

"Så vad är fallet? Enligt en allmän fysisk princip, diskontinuerligt beteende vid höga temperaturer måste översättas till en diskontinuerlig övergång vid låga temperaturer, "säger Zaanen." Det faktum att detta inte händer strider mot någon beräkning hittills. Det fullständiga teoretiska maskineriet sviker oss. '

Detta innebär också att den så kallade kvantkritiska övergången, en favorit bland förklaringarna, kan stoppas i soptunnan eftersom den förutsäger ett kontinuerligt beteende hos ARPES-signalen när dopningen varierar.

Enligt Zaanen, allt detta är en tydlig indikation på att den konstiga metallfasen är en följd av kvantinvikling. Detta är intrassling av kvantmekaniska egenskaper hos partiklar som också är en viktig ingrediens för kvantdatorer.

Kvantdatorer

Därav, Zaanen tänker, detta beteende kan beräknas tillfredsställande endast med hjälp av en kvantdator. Ännu mer än att bryta säkerhetskoder eller beräkna molekyler, den konstiga metallen är det perfekta testfallet, där kvantdatorer kan visa sina fördelar med avseende på vanliga datorer.

Historiens sensmoral, säger Zaanen, är att själva superledningens ursprung i allt större utsträckning är en sidofråga. "Efter trettio år, bevis pågår för att hög Tc -supraledningsförmåga pekar mot en radikalt ny form av materia, som styrs av konsekvenserna av kvantinvikling i den makroskopiska världen. "