Skapa ett tvådimensionellt material, bara några atomer tjocka, är ofta en mödosam process som kräver sofistikerad utrustning. Så forskare blev förvånade över att se 2D-pölar dyka upp inuti en tredimensionell supraledare – ett material som låter elektroner färdas med 100 % effektivitet och noll motstånd – utan att behöva uppmanas.

I dessa pölar, supraledande elektroner agerade som om de var inneslutna i en otroligt tunn, arkliknande plan, en situation som kräver att de på något sätt går över till en annan dimension, där olika regler för kvantfysik gäller.

"Detta är ett lockande exempel på framväxande beteende, som ofta är svårt eller omöjligt att replikera genom att försöka konstruera det från grunden, " sa Hari Manoharan, professor vid Stanford University och utredare vid Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory, som ledde forskningen.

"Det är som om när man får makten att supraledning, " han sa, "3D-elektronerna väljer själva att leva i en 2D-värld."

Forskargruppen kallar detta nya fenomen "interdimensionell supraledning, " och i en rapport i Proceedings of the National Academy of Sciences i dag, de föreslår att det är så här 3D-supraledare omorganiserar sig precis innan de genomgår en abrupt övergång till ett isolerande tillstånd, där elektroner är begränsade till sina hematomer och inte kan röra sig alls.

"Vad vi hittade var ett system där elektroner beter sig på oväntade sätt. Det är skönheten med fysiken, sa Carolina Parra, en postdoktor vid SLAC och Stanford vid tidpunkten för studien som utförde experimenten som ledde till visualiseringen av detta spännande resultat. "Vi hade mycket tur att hitta det här beteendet."

Elektroner som agerar konstigt

Även om supraledning upptäcktes för mer än ett sekel sedan, dess användbarhet begränsades av det faktum att material blev supraledande endast vid temperaturer nära temperaturerna i rymden.

Så tillkännagivandet 1986 att forskare hade upptäckt en ny och oväntad klass av supraledande material som fungerade vid mycket högre – även om de fortfarande är väldigt kalla – temperaturer startade en tsunami av forskning som fortsätter till denna dag, med målet att ta reda på hur de nya materialen fungerar och utveckla versioner som fungerar närmare rumstemperatur för applikationer som perfekt effektiva kraftledningar och maglevtåg.

Denna studie började med en högtemperatursupraledare som heter BPBO för dess fyra atomära ingredienser - barium, leda, vismut och syre. Det syntetiserades i Stanford Professor och SIMES-utredare Ian Fishers labb av Paula Giraldo-Gallo, en Ph.D. student vid den tiden.

Som forskare där gjorde det genom rutinmässiga tester, inklusive att bestämma övergångstemperaturen vid vilken den växlar mellan en supraledande och en isolerande fas – som vatten som ändras till ånga eller is – de insåg att deras data visade att elektroner beter sig som om de var begränsade till ultratunna, 2D-lager eller ränder i materialet. Detta var ett pussel, eftersom BPBO är en 3D-supraledare vars elektroner normalt är fria att röra sig i vilken riktning de vill.

Fascinerad, Manoharans team tog en närmare titt med ett scanningstunnelmikroskop, eller STM – ett instrument som kan identifiera och till och med flytta enskilda atomer i de översta atomskikten av ett material.

Samverkande pölar

Ränderna, de upptäckte, verkade inte ha något samband med hur materialets atomer var organiserade eller med små stötar och dopp på ytan.

"Istället, ränderna var lager där elektroner beter sig som om de är begränsade till 2D, pölliknande områden i materialet, ", sa Parra. "Avståndet mellan pölarna är tillräckligt kort för att elektronerna kan "se" och interagera med varandra på ett sätt som gör att de kan röra sig utan motstånd, vilket är kännetecknet för supraledning."

2D-pölarna dök upp när forskarna noggrant justerade temperaturen och andra förhållanden mot övergångspunkten där supraledaren skulle bli en isolator.

Deras observationer matchar nära en teori om "emergent elektronisk granularitet" i supraledare, utvecklad av Nandini Trivedi från Ohio State University och kollegor.

"De förutsägelser vi hade gjort gick emot standardparadigmet för supraledare, Sade Trivedi. Vanligtvis, ju starkare en supraledare är, ju mer energi behövs för att bryta bindningen mellan dess supraledande elektronpar – en faktor som vi kallar energigapet. Men min grupp hade förutspått att i denna speciella typ av störda supraledare, motsatsen skulle vara sant:Systemet skulle bilda nya pölar där supraledning var stark men paren kunde brytas med mycket mindre energi än förväntat.

"Det var ganska spännande att se dessa förutsägelser bekräftas av STM-mätningarna från Stanford-gruppen!"

Att sprida vetenskapen

Resultaten har praktiska implikationer för att skapa 2D-material, sa Parra.

"De flesta av metoderna för att göra 2D-material är tekniska tillvägagångssätt, som att odla filmer några atomlager tjocka eller skapa ett skarpt gränssnitt mellan två material och begränsa ett 2D-tillstånd där, " sa hon. "Detta erbjuder ett ytterligare sätt att komma till dessa 2D supraledande tillstånd. Det är billigare, du behöver ingen snygg utrustning som kräver väldigt låga temperaturer och det tar inte dagar och veckor. Den enda knepiga delen skulle vara att få sammansättningen av materialet precis rätt."

Parra leder nu ett labb vid Federico Santa María Technical University i Valparaíso, Chile, med fokus på tvärvetenskapliga studier av biologiska material i nanoskala. Hon vann nyligen ett stipendium för att förvärva och driva det första tunnelmikroskopet någonsin med låg temperatur i Sydamerika, som hon planerar att använda för att fortsätta denna forskning.

"När jag har den här utrustningen i labbet, " Hon sa, "Jag kommer att koppla ihop det med allt jag lärde mig i Haris labb och använda det för att lära en ny generation forskare att vi kommer att arbeta inom nanovetenskap och nanoteknik i Chile."