Tills nu, historien om supraledande material har varit en berättelse av två typer:s-våg och d-våg.

Nu, Cornell-forskare – ledd av Brad Ramshaw, Dick &Dale Reis Johnson assisterande professor vid College of Arts and Sciences—har upptäckt en möjlig tredje typ:g-våg.

Deras papper, "Termodynamiska bevis för en tvåkomponents supraledande orderparameter i Sr ₂ RuO ₄ , " publicerad 21 september in Naturfysik . Huvudförfattare är doktoranden Sayak Ghosh, FRÖKEN. '19.

Elektroner i supraledare rör sig tillsammans i så kallade Cooper-par. Denna "parning" ger supraledare sin mest kända egenskap – inget elektriskt motstånd – eftersom, för att skapa motstånd, Cooper-paren måste brytas isär, och detta tar energi.

I s-vågssupraledare - i allmänhet konventionella material, som bly, tenn och kvicksilver - Cooper-paren är gjorda av en elektron som pekar uppåt och en som pekar nedåt, båda rör sig rakt mot varandra, utan netto rörelsemängd. Under de senaste decennierna, en ny klass av exotiska material har uppvisat vad som kallas d-vågssupraledning, varvid Cooper-paren har två kvanta av rörelsemängd.

Fysiker har teoretiserat förekomsten av en tredje typ av supraledare mellan dessa två så kallade "singlet" tillstånd:en p-våg supraledare, med en kvanta av rörelsemängd och elektronerna paras ihop med parallella snarare än antiparallella spinn. Denna spin-triplett supraledare skulle vara ett stort genombrott för kvantberäkning eftersom den kan användas för att skapa Majorana fermioner, en unik partikel som är sin egen antipartikel.

I mer än 20 år, en av de ledande kandidaterna för en p-vågssupraledare har varit strontiumrutenat (Sr2RuO4), även om nyare forskning har börjat sticka hål i idén.

Ramshaw och hans team satte sig för att en gång för alla avgöra om strontiumruthenat är en mycket önskad p-vågssupraledare. Med hjälp av högupplöst resonant ultraljudsspektroskopi, de upptäckte att materialet potentiellt är en helt ny typ av supraledare:g-våg.

"Detta experiment visar verkligen möjligheten av denna nya typ av supraledare som vi aldrig hade tänkt på tidigare, " Sa Ramshaw. "Det öppnar verkligen upp utrymmet för möjligheter för vad en supraledare kan vara och hur den kan manifestera sig. Om vi ​​någonsin ska få grepp om att kontrollera supraledare och använda dem i teknik med den typ av finjusterad kontroll som vi har med halvledare, vi vill verkligen veta hur de fungerar och vilka varianter och smaker de kommer i."

Som med tidigare projekt, Ramshaw och Ghosh använde resonant ultraljudsspektroskopi för att studera symmetriegenskaperna hos supraledningsförmågan i en kristall av strontiumruthenat som odlades och preciserades av medarbetare vid Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids i Tyskland.

Dock, till skillnad från tidigare försök, Ramshaw och Ghosh stötte på ett betydande problem när de försökte genomföra experimentet.

"Att kyla ner resonant ultraljud till 1 kelvin (minus 457,87 grader Fahrenheit) är svårt, och vi var tvungna att bygga en helt ny apparat för att uppnå detta, " sa Ghosh.

Med deras nya setup, Cornell-teamet mätte svaret av kristallens elastiska konstanter - i huvudsak ljudhastigheten i materialet - på en mängd olika ljudvågor när materialet kyldes genom sin supraledande övergång vid 1,4 kelvin (minus 457 grader Fahrenheit).

"Detta är den överlägset högsta precision resonant ultraljud spektroskopidata som någonsin tagits vid dessa låga temperaturer, " sa Ramshaw.

Baserat på uppgifterna, de bestämde att strontiumrutenat är vad som kallas en tvåkomponentssupraledare, vilket betyder att hur elektroner binder samman är så komplext, det kan inte beskrivas med ett enda nummer; det behöver en riktning också.

Tidigare studier hade använt kärnmagnetisk resonans (NMR) spektroskopi för att begränsa möjligheterna för vilken typ av vågmaterial strontiumrutenat kan vara, eliminerar effektivt p-våg som ett alternativ.

Genom att fastställa att materialet var tvåkomponent, Ramshaws team bekräftade inte bara dessa fynd, men visade också att strontiumrutenat inte var en konventionell s- eller d-vågssupraledare, antingen.

"Resonant ultraljud låter dig verkligen gå in och även om du inte kan identifiera alla mikroskopiska detaljer, du kan göra breda uttalanden om vilka som är uteslutna, " sa Ramshaw. "Så de enda sakerna som experimenten är förenliga med är just dessa, mycket konstiga saker som ingen någonsin har sett förut. En av dem är g-våg, vilket betyder vinkelmoment 4. Ingen har någonsin ens trott att det skulle finnas en g-våg supraledare."

Nu kan forskarna använda tekniken för att undersöka andra material för att ta reda på om de är potentiella p-vågskandidater.

Dock, arbetet med strontiumrutenat är inte avslutat.

"Detta material är extremt väl studerat i många olika sammanhang, inte bara för dess supraledning, " sa Ramshaw. "Vi förstår vilken typ av metall det är, varför det är en metall, hur det beter sig när du ändrar temperatur, hur det beter sig när du ändrar magnetfältet. Så du borde kunna konstruera en teori om varför det blir en supraledare bättre här än nästan någon annanstans."