Kvantefluktuationer skaber ”umulig”, materiel tilstand mellem superledning og isolation

Materialeforskning er en af nøgledisciplinerne, når man arbejder med kvantemekanik. Uanset hvilket materiale der bruges som grundlag for at skabe kontrollerbare kvantetilstande – f.eks. hvis man vil bygge applikationer til kvanteberegning, -måling eller -kommunikation – så definerer materialerne ofte, i hvor høj grad man kan eliminere den altid tilstedeværende støj, som forstyrrer eller endda ødelægger de ønskede “rene” kvantetilstande eller signaler. Det er en konstant kamp for at opnå bedre, renere materialer.

Holdet af forskere, anført af Saulius Vaitiekenas, lektor ved Niels Bohr Institutet, har formået at skabe det, der skulle være en umulig mellemliggende tilstand mellem superleder = absolut ingen modstand eller tab af elektrisk forbindelse – og total isolation = fuldstændig afbrydelse af det elektriske signal.

Kryds-koblingspanel gjorde den uventede opførsel mulig

Gruppen byggede et “koblingspanel” med bittesmå superledende øer udstyret med en spændingsknap – lidt som en transistor – som gjorde det muligt at kontrollere krydskoblingen mellem disse øer.

Ifølge gældende viden skulle systemet gå direkte fra superledning, når øerne får lov at “tale” sammen, til isolation, når de afbrydes. I stedet fandt forskerne en mellemliggende tilstand, hvor øerne fortsætter med at tale sammen, men uden superledning. På grund af denne uventede opførsel kaldes tilstanden et anomalt metallisk regime.

“Vores studie kaster mere lys over denne tilstand og indikerer, at det er kvantefluktuationer – eller mere præcist usikkerheden mellem superledningstilstanden mellem øerne og antallet af partikler i øerne i vores prøve – der giver anledning til denne opførsel,” siger Saulius (se illustration for reference).

Kvantefaseovergange – og forståelsen af dem – er en brik i et stort puslespil

Eksperimentet kaster lys over det langvarige spørgsmål om det anomale metal – en uventet tilstand af stof, som blev observeret, når prøven blev indstillet fra at være superledere (perfekte ledere) til isolatorer. Som Saulius forklarer:
“At forstå sådanne kvantefaseovergange er som at løse et stort puslespil. Én brik ad gangen afslører måske ikke hele billedet, men på længere sigt kan det være et skridt mod elektronik, der spilder mindre energi, og kvanteenheder, der er mere kontrollerbare og pålidelige til fremtidige anvendelser.”

Bidragydere til arbejdet og artiklen, som nu er offentliggjort i Physical Review Letters, er Satyaki Sasmal, Maria Efthymiou-Tsironi, Gunjan Nagda, Emma Fugl, Lara Liva Olsen, Filip Krizek, Charles M. Marcus og S. Vaitiekėnas.