Superledningsteori under angreb

Målinger på et superledende materiale viser en brat overgang mellem et normalt metal og et "mærkeligt" metal. Det virkelig mærkelige, imidlertid, er, at denne brathed forsvinder, når temperaturen falder. "Vi har ikke noget teoretisk maskineri til dette, " siger teoretisk fysiker Jan Zaanen, medforfatter til en Videnskab artikel, "det er noget, som kun en kvantecomputer kan beregne."

Superledere har leveret overraskelser i over et århundrede. I 1911, Heike Kamerlingh Onnes i Leiden opdagede, at kviksølv vil lede elektrisk strøm uden nogen modstand ved 4,2 Kelvin (4,5 grader over det absolutte nulpunkt, eller -273,15 grader Celsius).

Fænomenet blev først forklaret i 1957, og i 1986, en ny type superledning blev opdaget i komplekse kobberoxider. Denne superledningsevne ved høje temperaturer overlever endda ved milde temperaturer på 92 Kelvin.

Hvis den kunne forlænges mod stuetemperatur, superledning ville betyde hidtil usete teknologiapplikationer, men indtil videre, fænomenet har undviget en fuldstændig forklaring. Dette ikke på grund af manglende indsats fra fysikere som Jan Zaanen, medforfatter og husteoretiker med en gruppe Stanford eksperimentelle fysikere, der publicerede en artikel i Videnskab .

Mærkeligt metal

"Jeg formoder, at det vil gøre indtryk, Zaanen skriver om udgivelsen. "Selv for Videnskab standarder, dette er ikke en almindelig artikel."

Siden 1957, det har været kendt, at superledning er forårsaget af elektroner, der danner par, som uhindret kan sejle gennem en krystal. Dette sker kun under en kritisk temperatur, Tc. Imidlertid, selv over denne temperatur, høj Tc-superledere udviser mærkelig adfærd. I denne mærkelige metalfase, elektroner opfører sig ikke som stort set uafhængige partikler, som de gør i normale metaller, men som kollektiver.

Sudi Chen og kolleger ved Stanford University undersøgte overgangen mellem normalt og mærkeligt i det superledende kobberoxid Bi(2212), ved hjælp af ARPES (Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy) teknikken. I ARPES, intenst UV-lys er rettet mod prøven, transporterer energi, der kan udstøde elektroner fra den. Energien og hastigheden af ​​sådanne udstødte elektroner afslører opførselen af ​​elektroner i prøven.

Kogende vand

Bortset fra temperaturen, dopingparameteren er afgørende. Ved at justere materialets nøjagtige kemi, antallet af frit bevægelige ladebærere kan varieres, som påvirker ejendommene.

Ved relativt varme temperaturer, lige over den højest mulige Tc, overgangen mellem det normale og det mærkelige metal sker mellem en dopingprocent på 19 og 20 procent. Ved denne overgang, Chen og kolleger viser, at elektronernes energifordeling pludselig ændres. Sådanne diskontinuerlige overgange er almindelige i fysik. Et eksempel er kogende vand:ved overgangen fra flydende vand til damp, tætheden laver et kæmpe diskontinuerligt hop.

Men det mærkelige er, at i dette tilfælde, diskontinuiteten forsvinder, når temperaturen sænkes til det superledende område:den pludselige udjævning, og egenskaberne ændrer sig pludselig løbende.

Skraldespand

"Hvad er så tilfældet? Ifølge et generelt fysisk princip, diskontinuerlig adfærd ved høje temperaturer ville skulle udmønte sig i en diskontinuerlig overgang ved lave temperaturer, ", siger Zaanen. "At det ikke sker, er i modstrid med nogen beregning indtil nu. Det komplette teoretiske maskineri svigter os.'

Dette betyder også, at den såkaldte kvantekritiske overgang, en favorit blandt forklaringerne, kan smides i skraldespanden, fordi det forudsiger en kontinuerlig opførsel af ARPES-signalet, når dopingen varierer.

Ifølge Zaanen, alt dette er en klar indikation af, at den mærkelige metalfase er en konsekvens af kvantesammenfiltring. Dette er sammenfiltring af kvantemekaniske egenskaber for partikler, som også er en væsentlig ingrediens for kvantecomputere.

Kvantecomputere

Derfor, Zaanen tænker, denne adfærd kan kun beregnes tilfredsstillende ved brug af en kvantecomputer. Endnu mere end at bryde sikkerhedskoder eller beregne molekyler, det mærkelige metal er den ideelle testcase, hvor kvantecomputere kan vise deres fordele i forhold til almindelige computere.

Moralen i historien, siger Zaanen, er, at oprindelsen af ​​superledning i sig selv i stigende grad er et sidespørgsmål. "Efter tredive år, beviser er stigende for, at høj Tc-superledning peger mod en radikalt ny form for stof, som er styret af konsekvenserne af kvantesammenfiltring i den makroskopiske verden."