Upptäckten av supraledning för mer än ett sekel sedan har avsevärt förändrat vår värld.
Historien började 1911 när den holländska fysikern Heike Kamerlingh Onnes observerade att kvicksilverets elektriska motstånd plötsligt sjönk till noll när det kyldes till en temperatur på cirka 4 Kelvin (ungefär 269 °C) – lite kallare än vätskans kokpunkt helium.
De praktiska tillämpningarna av denna anmärkningsvärda effekt insågs mycket senare, 1986, när en klass av högtemperatursupraledare upptäcktes. Dessa material med hög Tc har en kritisk temperatur under kokpunkten för flytande kväve, cirka -196°C, vilket minskar komplexiteten och kostnaderna för deras drift.
Nuförtiden är de fördelaktiga konsekvenserna av upptäckten av supraledning omöjliga att överskatta. Detta fenomen kommer gradvis in i våra dagliga liv, även om den unika roll det spelar inte är lätt synlig.
Beständigheten av elektriska strömmar i supraledande material innebär inga energiförluster i supraledande kretsar, vilket sätter i drift höghastighetståg för Maglev-tåg som använder magnetisk levitation för att reducera energifriktionen nästan till noll.
Det icke-motståndsfria flödet av elektricitet banar väg för lovande energiackumulatorer med snabb respons (Superconducting Magnetic Energy Storage) och fungerar som en kärna av magnetisk resonansavbildningsenheter (känd allmänt som "MRI") som används flitigt på sjukhus och medicinska forskningscentra.
Supraledning uppstår som ett resultat av bildandet av elektronparen bundna tillsammans av kvanta av gittervibrationer (fononer). Vid låga temperaturer kondenserar dessa Cooper-par och bildar en koherent överlagring av tillstånd, ett bosoniskt kondensat, som rör sig genom kristallgittret utan att spridas, vilket resulterar i noll elektriskt motstånd.
Kondensationen av Cooper-par leder också till utstötning av magnetiska fält från supraledaren - ett fenomen som kallas Meissner-effekten - vilket inte kan förklaras av enbart frånvaron av elektriskt motstånd. Motviljan mellan magnetfältet och supraledning är en ömsesidig känsla som delas av båda parter, eftersom magnetfältet förstör det supraledande tillståndet om det senare inte skulle kunna stöta bort det via Meissner-effekten.
De inblandade magnetfälten har en styrka i storleksordningen hundra Tesla för vissa hög-Tc supraledare. Däremot kan andra supraledande material inte motstå ännu mycket svagare fält, med en bråkdel av en Tesla.
För att få en uppfattning om styrkan på det inblandade magnetfältet är en Tesla styrkan på magnetfältet i en vanlig högtalare. En MRI använder supraledande spolemagneter som genererar fält av samma skala, upp till 2 Tesla, när elektrisk ström passerar genom dem.
För att sammanfatta, är supraledning, uppvisad av vissa material, känd för att vara känslig för starka magnetfält.
Nu kommer vi till den kontroversiella frågan om verket publicerat i Physical Review Letters som jag har varit medförfattare till:Kan vi göra en supraledare utan att använda något material genom att bara använda ett magnetfält? Den här frågan låter både kontroversiell och inte särskilt smart, med tanke på vad vi just har beskrivit hittills.
För det första, för att få ett supraledande tillstånd, behöver vi materia — i form av kopparparen. För det andra verkar det som om vi måste undvika att utsätta detta tillstånd för magnetiska fält som är för starka, eftersom de kan förstöra det supraledande flödet.
No-material-kravet innebär att vi uppmuntras att arbeta med "ingenting" som vårt ... ja, "material." Här betyder "ingenting" det mest tomma intet vi kan nå, det vill säga ett vakuum. Vakuumet innehåller per definition ingen materia, inga partiklar och ingen energi. Att applicera ett starkt magnetfält på vakuumet låter som en hopplös idé, eftersom magnetfältet inte har något att påverka i det.
Vakuumet är dock inte helt tomt, tack vare Heisenbergs osäkerhetsprincip, en hörnsten i kvantfysiken. Vakuumet rör om med aktiviteten hos virtuella partiklar som dyker upp och försvinner under korta ögonblick, och bildar en kokande soppa av kvantfluktuationer.
Vårt team, med hjälp av avancerade numeriska simuleringar av första principen, har visat att ett tillräckligt starkt magnetfält gör att dessa kvantfluktuationer materialiseras i form av ett fast ämne. Denna fasta substans verkar vara gjord av virvelliknande materia, med individuella virvlar som är ungefär strömlinjeformade längs magnetfältet. Existensen av en sådan fast substans har antagits i slutet av 1980-talet, med ett första principbevis på själva existensen som saknades innan vårt arbete.
För att lägga till mer förvirring till vårt fynd, nämner vi att detta exotiska fasta ämne också har specifika egenskaper hos en vätska:Virvlarna vinglar och rör sig, som i en vätska, men förblir ungefär fixerade till särskilda positioner som i en fast substans. I motsats till en typisk fast substans observerar vi ingen kristallstruktur vid något tillfälle. I motsats till en vätska, byter virvelbeståndsdelarna i detta konstiga material inte sina rumsliga positioner.
Ännu mer förbryllande, resultaten av vår analys antyder starkt att detta födda-ur-vakuumtillstånd är en ... supraledare. Med det sagt kan vi komma ihåg den tidigare delen av denna berättelse där magnetfältet utropades vara en fiende till supraledning. Det senare påståendet kan dock inte längre tillämpas på vår supraledning, som bokstavligen föds ur ingenting ... av samma magnetfält.
Förmodligen, efter att ha förklarat dessa främmande egenskaper hos vakuumsupraledning, kommer det inte som en överraskning att denna märkliga fast-flytande-virvel-supraledande substans - låt oss kalla det "substans" - också besitter ännu en egenskap, superfluiditet. Superfluiditeten – en elektriskt neutral kusin till supraledning – innebär att ämnet i fråga innehåller en vätskeliknande komponent som kan flöda utan viskositet.
Medan supraledning och superfluiditet av vakuum har antagits av en medförfattare till den här studien 2010, kommer den flytande naturen hos virveltillståndet som en häpnadsväckande överraskning.
Kort sagt, det upptäckta tillståndet är ett av de mest exotiska "något" någonsin. Kanske för att detta "något" skapas bokstavligen från "ingenting."
En nyfiken läsare kan nu rimligtvis fråga vad styrkan på magnetfältet som krävs för att producera detta ämne är? Det är inget som kan göras med hjälp av till exempel en kylskåpsmagnet. Och från vilka exakta virtuella partiklar skapas den?
För att uppnå det supraledande vakuumtillståndet krävs att magnetfälten når ungefär 0,74×10 20 Tesla (74 exatesla, där en exatesla är lika med enhet följt av 18 nollor). Denna styrka är mycket starkare än vad som kan hittas i vår kylskåpsmagnet, påträffad vid en undersökning vid MRI, eller till och med skapad i de mest avancerade laboratorierna på jorden. Det är mycket starkare än fältet i vita dvärgars inre eller till och med runt den starkaste magnetiserade neutronstarten, magnetarer.
När det gäller partikelinnehållet uppnås supraledningsförmågan genom kondensering av elektriskt laddade W-bosoner. Samtidigt upprätthålls superfluiditeten av det samexisterande kondensatet av neutrala Z-bosoner.
Vid det här laget kan man ställa ytterligare en fråga:Om vi ökar magnetfältet ytterligare, skulle dessa virvlar bli mer robusta och bilda en kristall? Svaret är negativt. Istället avslöjade våra simuleringar något ännu mer häpnadsväckande som har något att göra med det berömda Higgs-kondensatet. Detta kondensat är en byggsten i standardmodellen som ger massa till partiklar som kvarkar och elektroner och gör universum runt omkring oss som vi känner det.
Vi har upptäckt att vid ett högre, andra kritiskt magnetfält av styrkan 260 exatesla, "smälter" den supraledande formen av vakuumet ner (vid noll temperatur!), och övergår till ännu ett tillstånd där kondensatet från Higgsfältet försvinner. Detta högfältstillstånd liknar ett tillstånd när vårt universum var yngre än en första pikosekund. Det teoretiska förslaget om Higgs-kondensatets försvinnande i ett starkt magnetfält går tillbaka till mitten av 1970-talet, bara för att hittas i vårt arbete helt nyligen.
Våra fynd är inte bara en teoretisk kuriosa. Enligt hypotesen 2021 kan sådana starka fält existera i kvantatmosfärer ovanför händelsehorisonten för exotiska, starkt magnetiserade svarta hål. Därför kan vakuumets märkliga supraledande-superfluid-fast-vätsketillstånd ha uppstått under utvecklingen av vårt universum eller till och med existera just i detta ögonblick.
Men det är en annan – nu, astrofysisk – historia.
Den här historien är en del av Science X Dialog, där forskare kan rapportera resultat från sina publicerade forskningsartiklar. Besök den här sidan för information om ScienceX Dialog och hur du deltar.
Mer information: M. N. Chernodub et al, Phase Structure of Electroweak Vacuum in a Strong Magnetic Field:The Lattice Results, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.130.111802
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
Maxim Chernodub är Directeur de Recherche CNRS (en senior vetenskapsman) vid Institut Denis Poisson, Tours, Frankrike, ledare för Field Theory Group. Chernodubs forskningsintressen inkluderar kvantfältteori, kondenserad materiens fysik och gravitation.
