Аналіз знімків показує, як електрони об’єднуються в пари для руху по дротах без опору.
Фізики з Массачусетського технологічного інституту (MIT) зробили знімки пари частинок всередині хмари атомів, що імітує надпровідний матеріал. Це перші зображення, які безпосередньо фіксують формування пар ферміонів. Це клас частинок з півцілим спином, в який входять електрони, протони, нейтрони і деякі типи атомів.
Безпосередньо спостерігати за утворенням пар електронів в надпровідних матеріалах — нездійсненне завдання: вони занадто малі і занадто швидкі для захоплення за допомогою існуючих методів візуалізації. Щоб зрозуміти їх поведінку, фізики вивчили поведінку атомів калію-40. Вони також є ферміонами і подібно електронам можуть формувати пари між частинками з різними спинами.
Фізики використовували для експериментів розбавлений газ, що складається приблизно з тисячі атомів калій-40. Вони охолодили його до температури в кілька нанокельвінвв (практично до абсолютного нуля), щоб максимально уповільнити рух атомів. Охолоджений газ помістили в оптичну решітку (сітку лазерного світла). Усередині такої системи можна точно визначати місце розташування конкретного атома.
Ілюстрація пов’язаних пар атомів з різним спином (червоні і сині клітинки) всередині лазерної сітки. Зображення: Thomas Hartke, MIT
Фізики поліпшили існуючу техніку візуалізації ферміонів, що дозволило їм на мить заморозити атоми на місці, а потім зробити знімки атомів калію-40 окремо з тих чи інших конкретних спином. Потім дослідники наклали зображення одного типу атома на інший і подивилися, де і як частинки з різним спином формували пари.
Навіть на окремих зображеннях було видно безліч локальних пар. Аналізуючи набори з сотень знімків, фізики підтвердили, що атоми дійсно з’являються парами. Іноді вони з’єднувалися в тісну пару всередині одного квадрата, а іноді утворювали більш вільні пари, розділені одним або декількома інтервалами сітки. Таке дистанційне існування пари було передбачено раніше, але ніколи не спостерігалося.
Ферміонні пари — основа надпровідності. У традиційних провідниках рух електронів випадковий, вони можуть стикатися з іншими частинками з виділенням тепла. Пари, сформовані в надпровідниках, дозволяють електронам рухатися без тертя. Моделювання і візуалізація ферміонних пар допоможе краще досліджувати фізику цього процесу і розробити нові надпровідні матеріали, вважають вчені.