Stav hmoty „rodiny elektronů“ naznačuje nový typ supravodivosti

Supravodivost nastává, když elektrony v kovovém páru stoupají a pohybují se materiálem bez odporu. Ale v příběhu může být více, než jsme si mysleli, protože vědci v Německu nyní zjistili, že elektrony se mohou také seskupit do čtyřčlenných rodin, čímž vznikne nový stav hmoty a potenciálně i nový typ supravodivosti.

Vodivost je měřítkem toho, jak snadno se mohou elektrony (a tedy elektřina) pohybovat materiálem. Ale i v materiálech, které dělají dobré vodiče, jako je zlato, budou elektrony stále narážet na určitý odpor. Supravodiče však všechny tyto bariéry odstraňují a poskytují nulový odpor při ultra nízkých teplotách.

Důvod, proč se elektrony mohou tak snadno pohybovat supravodičem, je ten, že se spárují pomocí kvantového efektu známého jako Cooperovo párování. Přitom zvyšují minimální množství energie potřebné k interferenci s elektrony – a pokud je materiál dostatečně chladný, jeho atomy nebudou mít dostatek tepelné energie, aby narušily tyto Cooperovy páry, takže elektrony mohou volně proudit bez ztráta energie.

Ale v nové studii vědci z univerzit v Drážďanech a Würzburgu v Německu učinili fascinující objev. V jednom konkrétním typu supravodiče zjistili, že se Cooperovy páry samy spárovaly a vytvořily rodiny čtyř elektronů.

„Když jsme zjistili, že najednou tvoří vazbu čtyři elektrony místo dvou, nejprve jsme věřili, že jde o chybu měření,“ říká Henning Klauss, hlavní výzkumník studie. „Ale čím více metod jsme použili k potvrzení výsledku, tím jasnější stalo se, že to musí být nový fenomén: všechna data jsou konzistentní se stejným výsledkem. Nyní víme, že čtyřčásticová skupina elektronů v určitých kovech vytváří zcela nový stav hmoty, když se ochladí na ultra nízké teploty.“

Objev byl učiněn v supravodivém kovu obsahujícím baryum, draslík, železo a arsen, ze třídy známé jako pniktidy železa. Takový jev byl teoreticky předpovězen asi před deseti lety, ale dosud se neobjevily žádné experimentální důkazy. Vědci pak dva roky potvrzovali nález, a to pomocí sedmi různých metod.

Tým říká, že tyto rodiny elektronů by mohly otevřít nové odvětví supravodivosti a řadu pokročilých zařízení, která se do ní napojí. Ale do té doby je ještě potřeba udělat spoustu práce, abychom odhalili, jak to funguje, v jakých materiálech se vyskytuje a jak to lze vyvolat.

„Dá se předpokládat, že naše výsledky povedou ke zcela nové linii výzkumu, například hledání dalších kovů se čtyřmi spojenými elektrony nebo zkoumání toho, jak je třeba měnit materiály, aby vznikla elektronová rodina,“ říká Klauss. „Čistě teoreticky by byl s naší elektronovou rodinou možný také zcela nový typ supravodivosti. Jisté je pouze to, že pniktidy železa se díky svému novému agregovanému stavu dobře hodí pro technologie, jako jsou kvantové senzory.“

Výzkum byl publikován v časopise Přírodní fyzika.

Zdroj: Technická univerzita v Drážďanech