2016, fysikern J.C. Séamus Davis upptäckte ett svårfångat tillstånd av kvantmateria i cuprates, som är kopparoxidmaterial spetsade med andra atomer. Det lanserade ett nytt underområde i studien av kvantmaterial.

Men om detta var ett unikt fenomen i cuprates eller en universell och viktig egenskap hos naturen förblev okänt - fram till nu.

Med hjälp av en förbättrad version av den radikalt nya kvantmikroskoptekniken som han utvecklade för detta ändamål, Davis och hans team har nu hittat samma exotiska tillstånd av kvantmateria i en allmänt använd och konventionell typ av material, övergångsmetallen dikalkogenider (TMD).

Deras papper, "Upptäckten av ett Cooper-par densitetsvågtillstånd i en övergångsmetalldikalkogenid, " publicerad 25 juni i Vetenskap . Medförfattare inkluderar Cornell postdoktorala stipendiater Xiaolong Liu och Yi Xue Chong, och Rahul Sharma, Ph.D. '20, en postdoc vid University of Maryland.

Cooper-par densitetsvågor är en form av exotisk kvantmateria där elektronpar - istället för att bilda en konventionell "supraledare, "där alla är i samma fritt rörliga tillstånd-fryser in i en elektronpar-kristall, även känt som ett tillstånd för pardensitetsvåg (PDW).

Upptäckten att PDW finns i standardmaterial som TMD är spännande, Davis sa, eftersom de ger en rik plattform för upptäckt av nya tillstånd av kvantmateria och för utveckling av ny teknik.

"Studiet av TMD -material har nyligen blivit ett av de hetaste ämnena inom kondenserad fysik, "sa Davis, James Gilbert White, framstående professor emeritus i fysik vid College of Arts and Sciences (A&S), som också innehar professurer vid University of Oxford, i England, och University College Cork, i Irland. "Det finns hundratals av dessa material i världen och de används mycket inom teknik eller forskning, inklusive av flera grupper på Cornell."

Davis slog sitt eget rekord för rumslig upplösning med det skannade Josephson-tunnelmikroskopet han uppfann, förbättra den i denna studie med en faktor på cirka 100 (från nanometer ner till cirka 10 picometer). Han ökade också bildeffektiviteten med en faktor på cirka 250, minska bildupptagningstiden för Josephson junction array från en månad ner till några timmar.

Eftersom mikroskopet är extremt känsligt för vibrationer och för akustiskt och mekaniskt ljud och är därför utformat för att fungera utan människor i labbet, Davis sa att pandemin hade minimal inverkan på dess användning för forskningen.

"Om alla förberedelser görs korrekt, du trycker på knappen och mikroskopet gör sitt arbete väldigt tyst utan någon i labbet. Mikroskopet lagrar bilden och varnar dig när den är klar, ", sa Davis. "Varje individuellt experiment är ungefär 10 dagar, även om hela experimentkampanjen tar år."

TMD-upptäckten kommer att vara en välsignelse för de många fysikerna på Cornell som gör banbrytande forskning om kvantmaterial, Davis sa, "inklusive teoretiker som Eun-Ah Kim [professor i fysik i A&S], vars teorier om detta exotiska tillstånd av materia nu kan utsättas för experimentella tester."

Arbetet finansierades av Gordon and Betty Moore Foundation, som Davis sade också finansierade utvecklingen av det skanande Josephson-tunnelmikroskopet när ingen annan skulle göra det.

"Man trodde att ett sådant mikroskop var extremt svårt om inte omöjligt att implementera, "sa Davis, "men Moore Foundation tog risken. De förtjänar mycket av äran för denna nya teknik för visualisering av kvantämnen."