Forskning afslører en ny tilstand af materien:et Cooper par metal

Årevis, fysikere har antaget, at Cooper parrer, elektronduoer, der gør det muligt for superledere at lede elektricitet uden modstand, var to-trick ponyer. Parrene glider enten frit, skabe en superledende tilstand, eller skabe en isolerende tilstand ved at sætte sig fast i et materiale, ude af stand til at bevæge sig overhovedet.

Men i et nyt blad offentliggjort i Videnskab , et team af forskere har vist, at Cooper-par også kan lede elektricitet med en vis mængde modstand, ligesom almindelige metaller gør. Resultaterne beskriver en helt ny tilstand af stof, siger forskerne, det vil kræve en ny teoretisk forklaring.

"Der havde været beviser for, at denne metalliske tilstand ville opstå i tyndfilmssuperledere, når de blev kølet ned mod deres superledende temperatur, men hvorvidt denne stat involverede Cooper-par var et åbent spørgsmål, " sagde Jim Valles, en professor i fysik ved Brown University og undersøgelsens tilsvarende forfatter. "Vi har udviklet en teknik, der gør os i stand til at teste det spørgsmål, og vi viste, at Ja, Cooper-par er ansvarlige for at transportere ladning i denne metalliske tilstand. Det interessante er, at ingen er helt sikre på et grundlæggende niveau, hvordan de gør det, så denne opdagelse vil kræve noget mere teoretisk og eksperimentelt arbejde for at forstå præcis, hvad der sker."

Cooper-par er opkaldt efter Leon Cooper, en fysikprofessor ved Brown, der vandt Nobelprisen i 1972 for at beskrive deres rolle i at muliggøre superledning. Modstand skabes, når elektroner rasler rundt i et materiales atomgitter, mens de bevæger sig. Men når elektroner går sammen og bliver til Cooper-par, de gennemgår en bemærkelsesværdig forvandling. Elektroner er i sig selv fermioner, partikler, der adlyder Pauli udelukkelsesprincippet, hvilket betyder, at hver elektron har en tendens til at holde sin egen kvantetilstand. Cooper par, imidlertid, opføre sig som bosoner, som med glæde kan dele samme tilstand. Denne bosoniske adfærd gør det muligt for Cooper-par at koordinere deres bevægelser med andre sæt Cooper-par på en måde, som reducerer modstanden til nul.

I 2007 Valles, arbejder med Brown ingeniør- og fysikprofessor Jimmy Xu, viste, at Cooper-par også kunne producere isolerende tilstande såvel som superledning. I meget tynde materialer, i stedet for at bevæge sig i koncert, parrene konspirerer om at blive på plads, strandet på små øer i et materiale og ude af stand til at hoppe til den næste ø.

Til denne nye undersøgelse, Valles, Xu og kolleger i Kina ledte efter Cooper-par i den ikke-superledende metalliske tilstand ved hjælp af en teknik svarende til den, der afslørede Cooper-parisolatorer. Teknikken involverer mønstre af en tyndfilm-superleder - i dette tilfælde en højtemperatur-superleder yttriumbariumkobberoxid (YBCO) - med arrays af bittesmå huller. Når materialet har en strøm gennem sig og udsættes for et magnetfelt, ladningsbærere i materialet vil kredse om hullerne som vand, der kredser om et afløb.

"Vi kan måle frekvensen, hvormed disse ladninger kredser, " sagde Valles. "I dette tilfælde, vi fandt ud af, at frekvensen stemmer overens med, at der er to elektroner, der går rundt ad gangen i stedet for kun én. Så vi kan konkludere, at ladningsbærerne i denne tilstand er Cooper-par og ikke enkelte elektroner."

Ideen om, at bosonlignende Cooper-par er ansvarlige for denne metalliske tilstand, er noget af en overraskelse, siger forskerne, fordi der er elementer af kvanteteori, der tyder på, at dette ikke burde være muligt. Så at forstå, hvad der sker i denne tilstand, kan føre til noget spændende ny fysik, men mere forskning vil være påkrævet.

Heldigvis siger forskerne, det faktum, at dette fænomen blev opdaget i en højtemperatur-superleder, vil gøre fremtidig forskning mere praktisk. YBCO begynder at superledende ved omkring -181 grader Celsius, og den metalliske fase starter ved temperaturer lige over det. Det er ret koldt, men det er meget varmere end andre superledere, som er aktive lige over det absolutte nulpunkt. Den højere temperatur gør det lettere at bruge spektroskopi og andre teknikker, der sigter mod bedre at forstå, hvad der sker i denne metalliske fase.

Ned ad vejen, siger forskerne, det kan være muligt at udnytte denne bosoniske metaltilstand til nye typer elektroniske enheder.

"Sagen ved bosonerne er, at de har en tendens til at være mere i en bølgelignende tilstand end elektroner, så vi taler om, at de har en fase og skaber interferens på samme måde som lys gør, " sagde Valles. "Så der kan være nye modaliteter til at flytte ladning rundt i enheder ved at lege med interferens mellem bosoner."

Men for nu, forskerne er glade for at have opdaget en ny stoftilstand.

"Videnskab er bygget på opdagelser, " Xu sagde, "og det er dejligt at have opdaget noget helt nyt."