I ett genombrott som kan fördjupa vår förståelse av supraledning, har ett team av fysiker lyckats fånga de första ögonblicksbilderna någonsin av fermionpar – de grundläggande byggstenarna för supraledare. Denna prestation ger avgörande insikter i hur elektroner interagerar och bildar Cooper-paren som är ansvariga för supraledares anmärkningsvärda egenskaper, såsom deras förmåga att leda elektricitet med noll motstånd.

Forskningen publicerades i tidskriften Nature och utfördes av forskare från California Institute of Technology (Caltech). Med hjälp av en kombination av banbrytande teknologier, inklusive en ultrakall atomgas och högupplösta bildtekniker, kunde teamet skapa och observera små moln av fermioniska atomer som interagerar och bildar par.

I hjärtat av supraledning ligger fenomenet "parning". När vissa material kyls under en kritisk temperatur börjar en del av deras elektroner att paras ihop för att bilda Cooper-par. Dessa par rör sig i perfekt synkronisering, förlorar effektivt sina individuella identiteter och beter sig som en enda sammanhängande enhet. Detta "superflytande" tillstånd tillåter elektroner att flöda utan motstånd, vilket gör supraledare ovärderliga i olika tillämpningar, från kraftöverföring till medicinsk bildbehandling.

"Mysteriet med hur paren bildas har fängslat fysiker i decennier", förklarar professor Caltech, huvudförfattare till studien. "Önblicksbilderna vi har fått hjälper oss att visualisera och förstå de dynamiska processerna som är involverade i Cooper-parning och lägga grunden för att studera mer komplexa system för kondenserad materia, som de som finns i högtemperatursupraledare."

I sina experiment använde Caltech-fysikerna en gas av ytterbiumatomer som kyldes ner till ultrakalla temperaturer, nära absolut noll. Genom att kontrollera interaktionerna mellan atomerna med exakta laserpulser kunde de producera moln av fermionpar bestående av två atomer vardera. När dessa par expanderade och spreds, tog forskarna utsökta bilder med hjälp av ett högupplöst bildsystem.

De erhållna bilderna avslöjade tydligt den rumsliga fördelningen av fermionparen, inklusive deras momentum och energitillstånd. Dessa detaljerade observationer gjorde det möjligt för fysikerna att förstå den underliggande fysiken i parningsprocessen och dess implikationer för supraledning.

När ytterligare förståelse för Cooper-parning och supraledning uppnås, öppnar det upp potentialen för att utveckla nya supraledarematerial med förbättrad effektivitet och prestanda. Detta kan revolutionera industrier över hela spektrumet, förbättra elnäten, förbättra medicinska bildbehandlingsenheter och driva framtida höghastighetstågssystem. Forskningen som presenteras i Nature representerar ett betydande framsteg i denna strävan och inleder en ny era av utforskning i superledningsvärlden.