Tre forskare från University of Chicago har kört siffrorna, och de tror att det kan finnas ett sätt att tillverka ett material som kan leda både elektricitet och energi med 100 % effektivitet – som aldrig förlorar något till värme eller friktion.

Genombrottet, publicerad 18 februari in Fysisk granskning B , föreslår en ram för en helt ny typ av materia, som kan ha mycket användbara tekniska tillämpningar i den verkliga världen. Även om förutsägelsen är baserad på teori, ansträngningar pågår för att testa det experimentellt.

"Vi började försöka svara på en riktigt grundläggande fråga, för att se om det ens var möjligt - vi trodde att dessa två egenskaper kunde vara oförenliga i ett material, " sa medförfattare och forskningsrådgivare David Mazziotti, en professor i kemi och James Franck Institute och en expert på molekylär elektronisk struktur. "Men till vår förvåning, vi fann att de två tillstånden faktiskt blev intrasslade på en kvantnivå, och så förstärka varandra."

Eftersom en outsäglig mängd energi går förlorad från kraftledningar, motorer och maskiner varje år, forskare är ivriga att hitta effektivare alternativ. "På många sätt, detta är 2000-talets viktigaste fråga – hur man genererar och flyttar energi med minimal förlust, "Sa Mazziotti.

Vi har känt till supraledare – ett slags material som kan leda elektricitet för evigt med nästan noll förlust – i mer än ett sekel. Men det var först under de senaste åren som forskare lyckades tillverka ett liknande material i laboratoriet som kan leda energi med nästan noll förlust, kallas excitonkondensat.

Men både supraledare och excitonkondensat är knepiga material att tillverka och fortsätta fungera – delvis för att forskare inte helt förstår hur de fungerar och teorin bakom dem är ofullständig. Vi vet, dock, som båda involverar kvantfysikens verkan.

UChicago doktorand LeeAnn Sager började undra hur de två staterna kunde genereras i samma material. Mazziottis grupp specialiserar sig på att utforska egenskaper och strukturer för material och kemikalier med hjälp av beräkning, så hon började koppla in olika kombinationer i en datormodell. "Vi skannade igenom många möjligheter, och sedan till vår förvåning, hittade en region där båda staterna kunde existera tillsammans, " Hon sa.

Det verkar som om i rätt konfiguration, de två staterna trasslar ihop sig - ett kvantfenomen där system blir immateriellt kopplade till varandra. Detta utmanar den konventionella uppfattningen att de två staterna inte är relaterade, och kan öppna ett nytt fält av dubbla exciton- och fermionparkondensat.

Med hjälp av en del avancerad matematik, de visade att tack vare kvantintrasslingen, de dubbla kondensatet borde teoretiskt existera även vid den makroskopiska storleken – det vill säga, synlig för det mänskliga ögat.

"Detta innebär att sådana kondensat kan vara realiserbara i nya material, såsom ett dubbelskikt av superledare, sa Sager.

Forskarna arbetar med experimentella grupper för att se om förutsägelsen kan uppnås i verkliga material.

"Att kunna kombinera supraledning och excitonkondensat skulle vara fantastiskt för många applikationer - elektronik, spintronik, kvantberäkning, sa Shiva Safaei, en postdoktor och den tredje författaren på uppsatsen. "Även om detta är ett första steg, det ser väldigt lovande ut."