Et pust af ingenting giver et nyt perspektiv på superledning

Nul elektrisk modstand ved stuetemperatur? Et materiale med denne egenskab, dvs. en superleder ved stuetemperatur, kunne revolutionere magtfordelingen. Men indtil videre, oprindelsen af ​​superledning ved høj temperatur er kun ufuldstændigt forstået. Forskere fra Universität Hamburg og Cluster of Excellence "CUI:Advanced Imaging of Matter" har haft held med at observere stærke beviser for superfluiditet i et centralt modelsystem, en todimensionel gassky for første gang. Forskerne rapporterer om deres eksperimenter i tidsskriftet Videnskab , som gør det muligt at undersøge centrale spørgsmål om højtemperatur-superledning i et meget velkontrolleret modelsystem.

Der er ting, der ikke skal ske. For eksempel, vand kan ikke strømme fra et glas til et andet gennem glasvæggen. Overraskende nok, kvantemekanikken tillader dette, forudsat at barrieren mellem de to væsker er tynd nok. På grund af den kvantemekaniske tunneleffekt, partikler kan trænge ind i barrieren, selvom barrieren er højere end væskeniveauet. Endnu mere bemærkelsesværdigt, denne strøm kan endda flyde, når niveauet på begge sider er det samme, eller strømmen skal flyde lidt op ad bakke. For det, imidlertid, væskerne på begge sider skal være supervæske, dvs. de skal kunne flyde rundt om forhindringer uden friktion.

Dette slående fænomen blev forudsagt af Brian Josephson under sin doktorafhandling, og det er af så fundamental betydning, at han blev tildelt Nobelprisen for det. Strømmen drives kun af superfluidernes bølgenatur og kan, blandt andet, sikre, at superfluiden begynder at svinge frem og tilbage mellem de to sider - et fænomen kendt som Josephson-oscillationer.

Josephson-effekten blev først observeret i 1962 mellem to superledere. I eksperimentet - i direkte analogi med vandstrømmen uden niveauforskel - kunne en elektrisk strøm strømme gennem en tunnelkontakt uden påført spænding. Med denne opdagelse, der var blevet fremlagt et imponerende bevis på, at stofs bølgenatur i superledere kan observeres selv på makroskopisk niveau.

Nu, for første gang, det er lykkedes forskerne i prof. Henning Moritz' gruppe at observere Josephsons svingninger i en todimensionel (2-D) Fermi-gas. Disse Fermi-gasser består af et "pust af ingenting, " nemlig en gassky på kun et par tusinde atomer. Hvis de afkøles til et par milliontedele grader over det absolutte nulpunkt, de bliver superflydende. De kan nu bruges til at studere supervæsker, hvor partiklerne interagerer stærkt med hinanden og kun lever i to dimensioner - en kombination, der ser ud til at være central for superledning ved høj temperatur, men som stadig kun er ufuldstændigt forstået.

"Vi var overraskede over, hvor tydeligt Josephson-oscillationerne var synlige i vores eksperiment. Dette er et klart bevis på fasekohærens i vores ultrakolde 2-D Fermi-gas, " siger førsteforfatter Niclas Luick. "Den høje grad af kontrol, vi har over vores system, har også givet os mulighed for at måle den kritiske strøm, over hvilken superfluiditeten bryder ned."

"Dette gennembrud åbner op for mange nye muligheder for os at få indsigt i karakteren af ​​stærkt korrelerede 2-D supervæsker, " siger prof. Moritz, "Disse er af enestående betydning i moderne fysik, men meget vanskeligt at simulere teoretisk. Vi er glade for at kunne bidrage til en bedre forståelse af disse kvantesystemer med vores eksperiment."