Надпровідність - це явище, при якому електричний ланцюг втрачає опір і стає надзвичайно ефективним за певних умов. Це може статися різними способами, які вважалися несумісними. Вперше дослідники виявили міст між двома з цих методів для досягнення надпровідності. Нові знання можуть призвести до більш спільного розуміння явища і одного разу до практичних додатків.
Є три добре відомих стану речовини: тверде, рідке і газоподібне. Існує четвертий стан матерії, званий плазмою, який схожий на настільки гарячий газ, що всі складові його атоми розійшлися, залишивши після себе супер-гарячий безлад із субатомних частинок. Але є п'ятий стан речовини на протилежному кінці термометра, відомий як конденсат Бозе-Ейнштейна (БЕК, англ. BEC).
«BEC - це унікальний стан речовини, оскільки вона складається не з частинок, а з хвиль», - говорить Козо Окадзакі з Інституту фізики твердого тіла Токійського університету.
"У міру того, як вони охолоджуються майже до абсолютного нуля, атоми деяких матеріалів розмазуються по простору. Це розмазування збільшується до тих пір, поки атоми - тепер більше схожі на хвилі, ніж на частинки - перекриваються, стаючи невідличними один від одного. Отримана в результаті матерія поводиться так, як ніби вона єдина - єдиний об'єкт з новими властивостями, яких не вистачало в попередніх станах твердого тіла, рідини або газу, таких як надпровідність. До недавнього часу надпровідні БЕК були чисто теоретичними, але тепер ми продемонстрували це в лабораторії з новим матеріалом на основі заліза і селена.
Це перший випадок, коли БЕК був експериментально підтверджений як надпровідник; однак інші прояви матерії або режими також можуть викликати надпровідність.
Режим Бардіна-Купера-Шріффера (BCS) - це такий стан речовини, при якому при охолодженні майже до абсолютного нуля складові його атоми сповільнюються і шикуються в лінію, що дозволяє електронам легше через них проходити. Це фактично зводить електричний опір таких матеріалів до нуля. І BCS, і БЕК вимагають умов холоду, і обидва пов'язані з уповільненням атомів. Але в іншому ці режими зовсім різні. Довгий час дослідники вважали, що можна було б досягти більш загального розуміння надпровідності, якби ці режими якимось чином перекривалися.
"Демонстрація надпровідності БЕК була засобом для досягнення мети; ми дійсно сподівалися вивчити перекриття між БЕК і BCS ", - сказав Окадзакі. "Це було надзвичайно складно, але наш унікальний прилад і метод спостереження підтвердили це - між цими режимами існує плавний перехід. І це натякає на більш загальну теорію, що лежить в основі надпровідності. Зараз захоплюючий час для роботи в цій області.
Окадзакі і його команда використовували метод наднизькотемпáної фотоемісійної спектроскопії з високою роздільною здатністю і лазерною фотоемісією, щоб спостерігати за поведінкою електронів під час переходу матеріалу від BCS до BEC. Електрони ведуть себе по-різному в двох режимах, і перемикання між ними допомагає заповнити деякі прогалини в більш широкій картині надпровідності.
Однак надпровідність - це не просто лабораторна дивина; надпровідні пристрої, такі як електромагніти, вже використовуються в додатках. Великий адронний колайдер, найбільший у світі прискорювач частинок, є одним з таких прикладів.
Однак, як пояснено вище, для цього потрібні ультрахолодні температури, які перешкоджають розробці надпровідних пристроїв, які ми могли б очікувати бачити кожен день. Тож не дивно, що існує великий інтерес до пошуку способів формування надпровідників при більш високих температурах, можливо, навіть при кімнатній температурі.
«Маючи переконливі докази існування надпровідних БЕК, я думаю, це підштовхне інших дослідників до вивчення надпровідності при все більш високих температурах», - сказав Окадзакі. «На даний момент це може звучати як наукова фантастика, але якщо надпровідність може виникати при температурі біля кімнатної, наша здатність виробляти енергію значно зросте, а наші потреби в енергії зменшаться».