Embargo 20.12. klockan 18.00 Ögonblick av tystnad visar vägen mot bättre supraledare

Supraledning är beroende av närvaron av elektroner bundna i så kallade Cooper-par. Två elektroner kopplas ihop genom växelverkan som förmedlas av vibrationer av atomer i en metall och synkroniseras med varandra trots att de är hundratals nanometer från varandra.

Så länge det sker under en viss temperatur fungerar dessa Cooper-par som en vätska som inte förlorar energi, vilket innebär att de inte ger upphov till något motstånd för elektrisk ström. 

Men ett Cooper-par bryts ibland sönder till två kvasipartiklar – oparade elektroner – som hämmar prestandan hos supraledare. Forskare vet fortfarande inte varför Cooper-par går sönder, men närvaron av kvasipartiklar leder till brus i olika typer av komponenter baserade på supraledare, till exempel kvantbitar, grundläggande byggstenar i supraledande kvantdatorer.

"Även om det bara finns en kvasipartikel per miljard Cooper-par, skulle det begränsa prestationsförmågan hos kvantbitar och förhindra en kvantdator från att fungera felfritt", säger Elsa Mannila, som forskat om kvasipartiklar vid Aalto-universitetet innan hon flyttade till Teknologiska forskningscentralen i Finland VTT.

"Om det finns fler oparade kvasipartiklar är livslängden för kvantbitar också kortare", tillägger hon.

Långa tystnader

Att förstå ursprunget till dessa kvasipartiklar – med andra ord, att veta varför Cooper-par går sönder – skulle vara ett steg mot att förbättra prestationsförmågan hos supraledare och de många teknologier som är beroende av dem. För att besvara den frågan mätte forskare vid Aalto-universitetet exakt dynamiken hos Cooper-parbrott i en supraledare. 

"Man brukar mäta det genomsnittliga antalet kvasipartiklar över tid, men man visste inte hur det såg ut i varje ögonblick. Vi ville ta reda på exakt när Cooper-par går sönder och hur många par som går sönder samtidigt", förklarar professor Jukka Pekola vid Aalto-universitetet.

Tillsammans med forskare från Lunds universitet och VTT satte teamet vid Aalto upp ett experiment för att upptäcka ett mindre antal kvasipartiklar i realtid. Tekniken bestod av en mikrometerstor supraledare av aluminium, separerad från en normal ledare av koppar med ett tunt isolerande skikt. När Cooper-par i supraledaren gick sönder, kunde kvasipartiklarna ta sig, via så kallad kvantmekanisk tunnling, genom isoleringen till kopparn, där forskarna observerade dem med en laddningsdetektor.

"Utmaningen var att få många saker att fungera tillsammans", säger Elsa Mannila.

Analysen var beroende av att endast ha ett litet antal kvasipartiklar, vilket innebar att experimentet vid anläggningen måste skyddas från strålning och yttre störningar samt kylas till nästan absoluta nollpunkten (−273,15 °C). Forskarna behövde också upptäcka enstaka tunnlingshändelser i realtid på en skala av mikrosekunder, vilket åstadkoms med hjälp av en superledande förstärkare med ultralågt brus, utvecklad av Quantum Technology Finland och VTT.

Spricker av ljud 

Forskarna fann att Cooper-par ofta går sönder i utbrott – flera stycken samtidigt – vilket leder till mycket korta skurar av kvasipartiklar följda av långa perioder av tystnad, då supraledaren är helt fri från kvasipartiklar.

"Bilden som framträder är att det är mest tystnad, men ibland går ett eller flera Cooper-par sönder och det leder till en explosion av tunnlingshändelser", säger Elsa Mannila.

De tysta perioderna varade mycket längre än skurarna av kvasipartiklar. Supraledaren var helt fri från kvasipartiklar i upp till sekunder åt gången, vilket är mycket längre än vad som krävs för att utföra en operation med en kvantbit. 

"Man vill alltid bli av med kvasipartiklar. Vår studie utgör ett viktigt steg mot att bygga idealiskt fungerande supraledande komponenter", säger Jukka Pekola.

Spår i tiden 

"Vad är det egentligen som får Cooper-par att gå sönder? Det är faktiskt nyckelfrågan", säger han.

Energin för att bryta ett Cooper-par måste komma någonstans ifrån och dynamiken som forskarna observerade ger en viktig ledtråd. Under loppet av cirka 100 dagar fann forskarna att antalet gånger som paren sprack och blev till kvasipartiklar blev allt färre i deras experiment.

"Tidsberoende Cooper-parbrott har inte observerats tidigare, så det var intressant och överraskande", säger Elsa Mannila.

Ett ännu mer intressant resultat dök upp när de nollställde apparaten och försökte igen. 

"När experimentet startade om började allt från början. Hastigheten med vilken kvasipartiklar uppstår beror på hur lång tid som har gått sedan vi kylde systemet till dess lägsta temperatur", berättar Elsa Mannila.

Denna dynamik begränsar antalet förklaringar till att Cooper-par bryts sönder i experimentet. Alla externa källor, som kosmiska strålar och andra strålkällor, skulle behöva bli mindre vanliga med tiden och återställas efter cirka 100 dagar för att matcha förändringarna i experimentet.

"Det här utesluter det mesta av det som har föreslagits som förklaringar hittills. Vi har visat att något ändras i frekvensen och det är inte något man brukat leta efter. Nu när idén finns ute kan man titta på dessa tidsskalor i olika system för att få en förklaring", säger Elsa Mannila.

För Jukka Pekola är det faktum att frekvensen av kvasipartikelhändelser minskar med tiden, men inte på ett exponentiellt sätt, en viktig ledtråd om energikällan som orsakar att Cooper-par bryts. 

"Att det händer så mycket i början kan bero på föroreningar i materialen. Föroreningar kyls ner mycket långsamt, vilket leder till små förändringar i systemet över tid. Dessa små förändringar kan dock resultera i att tillräckligt med energi frigörs för att bryta Cooper-par, även om detta är spekulationer", säger han.

Jukka Pekola planerar att fortsätta med experiment med två eller flera detektorer för att fastställa källan till var dessa kvasipartiklar uppstår. Genom att leta efter korrelationer mellan kvasipartikelskurar hoppas han få fler ledtrådar om exakt var i processen det som framkallar Cooper-parbrott sker. 

Forskningen genomfördes med hjälp av Aalto-universitetets och VTT:s gemensamma forskningsinfrastruktur OtaNano. Aalto-universitetets forskningsgrupp hör även till InstituteQ, det nationella kvantinstitutet i Finland.

Länk till artikeln (efter emgarbo)