Wizja artystyczna nowo odkrytej rodziny elektronów

Nie tylko pary Coopera. Naukowcy odkryli nowy rodzaj nadprzewodnictwa

Elektrony mogą łączyć się w czteroskładnikowe rodziny, inicjując zupełnie nowy rodzaj nadprzewodnictwa.

Nadprzewodnictwo jest zjawiskiem występującym, gdy elektrony w metalu łączą się w pary i przemieszczają bez oporu. Naukowcy z niemieckiego Uniwersytetu w Dreźnie odkryli, że elektrony mogą łączyć się w większe „rodziny”, tworząc nowy stan materii i nieznany wcześniej rodzaj nadprzewodnictwa. O wynikach przeczytamy w Nature.

Rodziny elektronów, jakich nie znaliśmy

Zjawisko nadprzewodnictwa jest pochodną definicji przewodnictwa, czyli miary tego, z jak dużą łatwością elektrony (a więc i prąd elektryczny) przemieszczają się przez materiał. Ale nawet materiały uważane za dobre przewodniki (np. złoto) wciąż wykazują jakąś oporność. W przypadku nadprzewodników takich barier nie obserwujemy, choć swoje właściwości zachowują w ultraniskich temperaturach. To ogranicza ich praktyczne zastosowania.

Tajemnica nadprzewodnictwa elektronów wynika z faktu, że łączą się one w dwójki – tzw. pary Coopera – podnosząc minimalną ilość energii potrzebną do zaburzenia ich ruchu. Jeżeli materiał jest odpowiednio zimny (atomy nie poruszają się wystarczająco szybko), nie zakłóca przepływu elektronów.

Naukowcy z Uniwersytetu w Dreźnie dokonali spektakularnego odkrycia. Odkryli, że pary Coopera mogą łączyć się w… pary, tworząc tym samym rodziny czterech elektronów.

Kiedy odkryliśmy, że łączą się cztery elektrony, zamiast dwóch, myśleliśmy, że to błąd pomiarowy. Ale im więcej metod używaliśmy do potwierdzenia wyniku, tym bardziej stawało się jasne, że musi to być nowe zjawisko. Teraz wiemy, że czterocząstkowa rodzina elektronów w niektórych metalach tworzy zupełnie nowy stan materii, gdy jest schładzana do ultraniskich temperatur.

Henning Klauss, główny autor badań

Odkrycia dokonano w nadprzewodzącym metalu zawierającym bar, potas, żelazo i arsen – tzw. pniktydku żelaza. Takie zjawisko przewidziano teoretycznie dekady temu, ale do tej pory nie udało się go zaobserwować empirycznie. Teraz w końcu to się udało, używając siedmiu różnych metod badawczych.

To może prowadzić do stworzenia zupełnie nowego rodzaju urządzeń, działających w oparciu o nieznany wcześniej rodzaj nadprzewodnictwa.

Można założyć, że nasze wyniki doprowadzą do powstania zupełnie nowej linii badawczej, na przykład poszukiwania innych metali z czterema połączonymi elektronami lub zbadania, w jaki sposób należy zmienić materiały, aby stworzyć rodzinę elektronową. Jedyną rzeczą, która jest pewna, jest to, że pniktydki żelaza dobrze nadają się do technologii takich jak czujniki kwantowe ze względu na ich nowy stan skupienia.

Henning Klauss

Czytaj też: Po raz pierwszy połączono nadprzewodnik z półprzewodnikiem. Rewolucja na horyzoncie?