Za każdym razem, gdy nasz smartfon się nagrzewa, jest to konsekwencją energii, która jest tracona w wyniku jego intensywnej pracy. To samo dotyczy linii wysokiego napięcia, które tracą nawet 10 proc. przesyłanej energii. Wynika to z praw fizyki – elektrony, będące nośnikami ładunków elektrycznych, zderzają i ocierają się ze sobą, podobnie jak ludzie przepychający się w tłumie. Za każdym razem powstaje tarcie, a ostatecznie ciepło, które oznacza utratę energii.
Czytaj też: Kwantowa materia ma coraz mniej tajemnic. Pomógł nowy eksperyment
Ale można temu zapobiec. Gdy elektrony łączą się w pary, mogą modyfikować swoje zachowania i dosłownie “ślizgać się” po materiale bez tarcia. Mówimy wtedy o nadprzewodnictwie, które występuje w wielu materiałach, choć w ekstremalnie niskich temperaturach. Przeniesienie tych właściwości do świata temperatur pokojowych, umożliwiłoby opracowanie urządzeń elektronicznych o zerowych stratach energetycznych, a więc i zatem potencjalnie wydajniejszych. Aby to się ziściło, trzeba zrozumieć, kiedy elektrony łączą się w pary – naukowcy MIT zrobili do tego ważny krok. Szczegóły opisano w czasopiśmie Science.
Elektrony łączą się w pary w specyficzny sposób
Nowe zdjęcia cząstek łączących się w pary w atomach rzucają światło na tendencję elektronów do łączenia się w pary w materiałach nadprzewodzących. Fotografie wykonane przez fizyków z Massachusetts Institute of Technology (MIT) są pierwszymi zdjęciami par fermionów.
Uczeni wykorzystali atomy potasu-40 w warunkach przypominających zachowanie elektronów w określonych materiałach nadprzewodzących. Kierowany przez prof. Martina Zwierleina zespół opracował strategię wizualizacji przechłodzonej chmury atomów potasu-40. Technika ta pozwoliła im zobaczyć parowanie cząstek, nawet jeśli dzieli je niewielka odległość. Wykryto również interesujące wzory i zachowania, takie jak tworzenie się szachownic zakłócanych przez pojedyncze elektrony podczas ich przechodzenia. Analizując zestawy setek migawek, udało się zinterpretować sposób, w jaki atomy pojawiają się w parach.Obserwacje te nie tylko dostarczają schematu powstawania par elektronowych w nadprzewodnikach, ale także pomagają opisać, jak neutrony łączą się w pary, tworząc gęstą i wirującą superciecz występującą w gwiazdach neutronowych.
Zachowanie par między atomami zostało przewidziane przez model Hubbarda, czyli szeroko rozpowszechnioną teorię, która prawdopodobnie skrywa klucz do charakterystyki elektronów w nadprzewodnikach wysokotemperaturowych. Eksperci wykorzystali ten model do testowania przewidywań dotyczących parowania elektronów w materiałach nadprzewodzących, ale do tej pory nigdy nie zaobserwowali tego bezpośrednio.
Zgodnie z modelem standardowym, każda cząstka jest bozonem lub fermionem, zależnie od posiadanego spinu. Fermiony to cząstki obdarzone spinem połówkowym (np. 1/2, 3/2), będące “cegiełkami” materii, podczas gdy bozony są nośnikami oddziaływań zachodzącymi między nimi.
