Een nieuwe staat van materie – elektronenvierlingen

Egor Babaev en medewerkers, die in Nature Physics rapporteren, presenteerden bewijs van verviervoudiging van het fermion in een reeks experimentele metingen aan het op ijzer gebaseerde materiaal Ba1-xKxFe2As2. De resultaten volgen bijna 20 jaar nadat Babaev dit soort fenomeen voor het eerst voorspelde, en acht jaar nadat hij een paper publiceerde waarin hij voorspelde dat het in het materiaal zou kunnen voorkomen.

Het koppelen van elektronen maakt de kwantumtoestand van supergeleiding mogelijk, een nulweerstandstoestand van geleidbaarheid die wordt gebruikt in MRI-scanners en kwantumcomputers. Het komt voor in een materiaal als gevolg van twee elektronen die zich binden in plaats van elkaar af te stoten, zoals ze zouden doen in een vacuüm. Het fenomeen werd voor het eerst beschreven in een theorie door Leon Cooper, John Bardeen en John Schrieffer, wiens werk in 1972 de Nobelprijs kreeg.

Cooper-paren zijn in feite tegenpolen die elkaar aantrekken. Normaal gesproken zouden twee elektronen, die negatief geladen subatomaire deeltjes zijn, elkaar sterk afstoten. Maar bij lage temperaturen in een kristal worden ze losjes in paren gebonden, wat aanleiding geeft tot een robuuste langeafstandsorde. Stromen van elektronenparen verstrooien niet langer door defecten en obstakels en een geleider kan alle elektrische weerstand verliezen en een nieuwe toestand van materie worden: een supergeleider.

Pas de laatste jaren is het theoretische idee van vier-fermioncondensaten breed geaccepteerd.

Om een ​​verviervoudiging van het fermion te laten optreden, moet er iets zijn dat condensatie van paren voorkomt en hun stroming zonder weerstand verhindert, terwijl condensatie van vier-elektronencomposieten mogelijk is, zegt Babaev.

De Bardeen-Cooper-Schrieffer-theorie stond dergelijk gedrag niet toe, dus toen de experimentele medewerker van Babaev aan de Technische Universtät Dresden, Vadim Grinenko, in 2018 de eerste tekenen van een verviervoudigend fermioncondensaat ontdekte, daagde het jaren van heersende wetenschappelijke overeenstemming uit. Wat volgde was drie jaar experimenteren en onderzoeken in laboratoria van meerdere instellingen om de bevinding te valideren.

Babaev zegt dat de belangrijkste van de waarnemingen is dat fermionische viervoudige condensaten spontaan de tijdomkeringssymmetrie doorbreken. In de natuurkunde is tijdomkeersymmetrie een wiskundige bewerking van het vervangen van de uitdrukking voor tijd door zijn negatief in formules of vergelijkingen, zodat ze een gebeurtenis beschrijven waarin de tijd achteruit loopt of alle bewegingen worden omgekeerd.

Als men de richting van de tijd omkeert, gelden de fundamentele wetten van de fysica nog steeds. Dat geldt ook voor typische supergeleiders: als de pijl van de tijd wordt omgekeerd, zou een typische supergeleider nog steeds in dezelfde supergeleidende toestand zijn. "In het geval van een condensaat van vier fermionen dat we rapporteren, brengt de tijdomkering het echter in een andere staat", zegt hij.

"Het zal waarschijnlijk vele jaren van onderzoek vergen om deze toestand volledig te begrijpen", zegt hij. "De experimenten openen een aantal nieuwe vragen en onthullen een aantal andere ongebruikelijke eigenschappen die verband houden met de reactie op thermische gradiënten, magnetische velden en ultrageluid die moeten nog beter worden begrepen."

Bijdragen aan het onderzoek waren wetenschappers van de volgende instellingen: Instituut voor Solid State and Materials Physics, TU Dresden, Duitsland; Leibniz Instituut voor Solid State en Materials Research, Dresden; Universiteit van Stockholm; Bergische Universtät in Wuppertal, Duitsland; Dresden High Magnetic Field Laboratory (HLD-EMFL); Würzburg-Dresden Cluster of Excellence ct.qmat, Duitsland; Helmholtz-Zentrum, Duitsland; Nationaal Instituut voor geavanceerde industriële wetenschap en technologie (AIST), Japan; Institut Denis Poisson, Frankrijk.