Dieser seltsame Quanten„Tanz“ könnte die Supraleitung neu definieren

In einer am 15. April in Physical Review Letters veröffentlichten Studie erfassten Wissenschaftler Bilder einzelner Atome, die in einem speziell vorbereiteten Gas bildeten, das nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt wurde – der unerreichbare Grenzwert, wie kalt Dinge werden können.

Dieses System, bekannt als Fermi-Gas, ermöglicht es den Forschern, Elektronen durch Atome zu ersetzen und das supraleitende Verhalten in einem kontrollierten Umfeld zu untersuchen. Unerwartetes Verhalten bei gepaarten Atomen Nach der Bildung nicht wie erwartet.

Anstatt unabhängig zu handeln, bewegten sich die Paare in einem koordinierten Muster, wobei die Position jedes Paares – etwas, das 70 Jahre alten, Nobelpreis-prämierten Theorie der Supraleitung nicht vorhergesagt wurde.

Unser Experiment zeigte, dass dieser Theorie

„Unser Experiment zeigte, dass dieser Theorie etwas qualitativ fehlt“, sagt Tarik Yefsah, Leiter der experimentellen Forschung am Laboratoire Kastler Brossel des französischen Nationalen Forschungszentrums für wissenschaftliche Forschung (CNRS) in Paris.

Yefsah und andere experimentelle Physiker vom CNRS arbeiteten an der neuen Studie mit theoretischen Physikern zusammen, darunter Shiwei Zhang vom Flatiron Institute der Simons Foundation.

Diese Entdeckung fügt ein wichtiges Detail zum Verständnis der Wissenschaftler für die Supraleitung hinzu und könnte helfen, Bemühungen zur Entwicklung , einem großen Ziel, das zu weitaus effizienteren Stromsystemen und elektronischen Geräten führen könnte.

Wie Supraleiter den Widerstand eliminieren Supraleitung

Wie Supraleiter den Widerstand eliminieren Supraleitung tritt normalerweise in bestimmten Metallen auf, wenn diese auf extrem niedrige Temperaturen gekühlt werden – weit unter allem, was auf der Erde natürlich vorkommt. Sinkt das Material unter eine kritische Temperatur, verschwindet der elektrische Widerstand.

Dies geschieht, weil Elektronen Paare bilden und zusammen wandern, was oft mit Tänzern verglichen wird, die über einen Ballsaalboden tanzen. Diese grundlegende Erklärung wurde in den 1950er Jahren , Leon Cooper und John Robert Schrieffer entwickelt.

Grenzen der BCS-Theorie Die BCS-Theorie – benannt nach ihren Schöpfern – ist jedoch keine vollständige Beschreibung. Sie erklärt nicht alle Arten ändig und erfasst nicht alle Aspekte des Phänomens.

Wissenschaftler vermuteten seit langem, dass wichtige

Wissenschaftler vermuteten seit langem, dass wichtige Details fehlten, wussten aber nicht genau, welche.

„Die BCS-Theorie besagt, dass Supraleitung dadurch entsteht, dass Elektronen dazu neigen, sich paarweise zu verbinden“, sagt Zhang, leitender wissenschaftlicher Mitarbeiter und Gruppenleiter am Center for Computational Quantum Physics (CCQ) des Flatiron Institute.

„Aber es ist eine grobe Theorie und sagt uns nichts darüber, wie die Paare miteinander wechselwirken.“ Nach diesem Rahmen verteilen sich die Paare unabhängig voneinander im gesamten Material, sodass ein Paar ein anderes in der Nähe nicht beeinflussen sollte.

Neue Bildgebungstechnik enthüllt Paarwechselwirkungen Um diese

Neue Bildgebungstechnik enthüllt Paarwechselwirkungen Um diese Lücke zu schließen, arbeiteten experimentelle Physiker vom CNRS mit Theoretikern vom CCQ zusammen, um zu untersuchen, wie Paare einander beeinflussen. Mit einer neuen Bildgebungsmethode zeichnete das Team Aufnahmen davon auf, wo die gepaarten Atome lokalisiert waren.

Sie verwendeten ein Gas aus Lithiumatomen, das auf nur wenige Milliarden Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt gekühlt wurde. Bei diesen Temperaturen verhalten sich die Atome als Fermionen, dieselbe Teilchenklasse wie Elektronen, was sie zu einem guten Modellsystem macht.

Die Bilder zeigten, dass die Positionen der gepaarten Atome miteinander verbunden waren. Jedes Paar hielt einen bestimmten Abstand zu anderen, ähnlich wie Paare auf einer Tanzfläche vermeiden, miteinander zu kollidieren.

Dieses Muster enthüllt Wechselwirkungen, die

Dieses Muster enthüllt Wechselwirkungen, die in der traditionellen BCS-Beschreibung nicht enthalten sind. Ein klarerer Blick in das Quantensystem „Die BCS-Theorie gibt uns einen Blick ßerhalb des Ballsaals, wo wir die Musik hören und die Tänzer erscheinen sehen können, aber wir wissen nicht, was im Ballsaal vor sich geht“, sagt Yefsah.

„Unser Ansatz ist wie das Aufnehmen mit einer Weitwinkelkamera im Ballsaal.

Jetzt können wir sehen, wie die Tänzer sich paarweise verbinden und aufeinander achten, damit sie sich nicht stoßen.“ Um die Ergebnisse zu bestätigen, führten Zhang und sein ehemaliger Postdoktorand am CCQ, Yuan-Yao He vom Institute of Modern Physics der Northwest University in China, detaillierte Quantensimulationen desselben Systems durch.

Die Simulationsergebnisse stimmten mit den experimentellen

Die Simulationsergebnisse stimmten mit den experimentellen Beobachtungen überein und reproduzierten die fehlenden Merkmale, einschließlich des Abstands zwischen den gepaarten „Tänzern“. Implikationen für zukünftige Supraleiter Diese Ergebnisse vertiefen das Verständnis bestehenden Quantenmaterialien.

Ein solcher Fortschritt ist unerlässlich für die Entwicklung , die bei höheren Temperaturen supraleitend sein können.

In den 1980er Jahren entdeckten Wissenschaftler, die Metalllegierungen untersuchten, eine Klasse , die bei Temperaturen nahe denen üssigem Stickstoff arbeiten – immer noch ein Kältegrad 196 Grad Celsius (minus 321 Grad Fahrenheit).

Wissenschaftler verstehen immer noch nicht vollständig,

Wissenschaftler verstehen immer noch nicht vollständig, warum diese Materialien bei diesen relativ höheren Temperaturen funktionieren. Durch die Verbesserung des Wissens darüber, wie Supraleitung auf fundamentaler Ebene funktioniert, hoffen Forscher, irgendwann Materialien zu schaffen, die unter alltäglichen Bedingungen arbeiten.

Dies könnte die Effizienz verbessern. „Durch das Verständnis dieses einfachen Falls können wir unsere Werkzeuge verfeinern, um kompliziertere Systeme zu untersuchen“, sagt Zhang.

„Und an komplizierteren Systemen suchen wir nach neuen Materiephasen, die in der Vergangenheit viele technologische Durchbrüche vorangetrieben haben.“ Referenz: „Observing Spatial Charge and Spin Correlations in a Strongly Interacting Fermi Gas“ , Maxime Dixmerias, Yuan-Yao He, Joris Verstraten, Tim de Jongh, Bruno Peaudecerf, Shiwei Zhang und Tarik Yefsah, 15.

April 2026, Physical Review Letters. DOI: 10.1103/2t2k-3ftx