Nu e nevoie de un microscop gigantic sau de un accelerator cât un oraș. Uneori, ca să deslușești un mister vechi de aproape patru decenii, e suficient să asculți cu atenție. Exact asta au făcut fizicienii conduși de Milan Allan, de la Universitatea Ludwig Maximilian din München, și de Ingmar Swart, de la Universitatea Utrecht din Olanda. Au ascultat zgomotul electric slab al curentului care intră într-un material supraconductor, iar ce au auzit schimbă felul în care înțelegem cum funcționează unul dintre cele mai ciudate materiale cunoscute.

Rezultatele au apărut într-un studiu publicat recent în revista Science și țintesc una dintre cele mai încăpățânate dispute din fizica materiei condensate.

Supraconductorii transportă electricitatea fără nicio rezistență, dar majoritatea funcționează doar la câteva grade peste zero absolut. La sfârșitul anilor 1980, o familie de materiale pe bază de cupru, numite cuprați, a început să arate supraconductivitate la temperaturi mult mai ridicate, la care se poate ajunge cu azot lichid, un răcitor ieftin. Totuși, după aproape 40 de ani, fizicienii încă nu sunt de acord de ce se întâmplă asta.

Piesa centrală a puzzle-ului se numește pseudogap. Allan o descrie simplu: «un fenomen al electronilor lipsă». Peste temperatura la care cuprații devin supraconductori, o parte dintre electronii lor par să dispară. Măsurătorile găsesc mult mai puțini la energiile la care ar trebui să fie. «Toată lumea știe, din diverse măsurători, că există acești electroni care dispar, dar nimeni nu știe de ce», spune Allan.

În timp, fizicienii au propus două explicații rivale. Prima spune că electronii se blochează într-un fel de structură, adică îngheață în tipare, precum undele de densitate de sarcină, iar supraconductivitatea apare separat, ca o chestiune diferită. A doua leagă strâns fenomenul de supraconductivitate: «Alții cred că lipsesc pentru că se împerechează», explică Allan.

Perechile de electroni, numite perechi Cooper, sunt cele care transportă curentul într-un supraconductor. Dacă ele apar pe măsură ce materialul se răcește, înainte ca acesta să devină supraconductor, ar fi o precondiție a supraconductivității, un fel de sală de așteptare în care perechile există, dar nu se pot mișca încă împreună, în pas.

Să tranșezi disputa s-a dovedit extrem de greu. Instrumente diferite văd lucruri diferite, dar citirile lor, spune Allan, nu sunt niciodată concludente. Era nevoie de o metodă care să arate direct perechile.

Echipa a ales să asculte zgomotul de alice, adică fluctuațiile minuscule produse de sosirea individuală a sarcinilor care alcătuiesc un curent electric. Allan face o analogie cu ploaia pe acoperiș: dacă picăturile devin brusc de două ori mai grele, zgomotul crește. La electroni, e similar. Dacă vin mereu câte doi împreună, pentru că sunt împerecheați, zgomotul e mai mare.

Măsurătoarea a fost făcută cu un microscop cu efect tunel, care a trimis curent între un vârf ascuțit ca un ac și o probă de cuprat. Astfel, cercetătorii au putut asculta zgomotul la anumite niveluri de energie și în locuri diferite de pe suprafață. Într-un supraconductor convențional, împerecherea dublează curat zgomotul. În cuprați, semnalul e mult mai slab, pentru că electroni singuri continuă să curgă alături de perechi.

Să faci instrumentul destul de sensibil cât să distingă perechile a durat ani. «Ce a fost nevoie a fost de studenți foarte talentați și perseverenți, care au lucrat patru ani la asta ca să meargă», spune Allan. Nu a existat un singur truc, ci «meșteșug de electronică».

Echipa a studiat cristale dintr-un cuprat cunoscut drept BSCCO, răcite la câteva grade peste zero absolut, și a comparat zgomotul cu energiile la care dispar electronii. Reglând tensiunea dintre vârful acului și probă, cercetătorii puteau alege energia electronilor pe care îi ascultă, cam ca atunci când schimbi frecvența la radio. Dacă pseudogap-ul ar veni doar din tipare înghețate, au gândit ei, zgomotul suplimentar al împerecherii ar trebui să apară doar la energiile asociate supraconductivității. În realitate, împerecherea a apărut chiar la energia pseudogap-ului.

«Faptul că zgomotul e mai mare indică faptul că împerecherea este asociată cu acest gap mare», spune Allan. Energia pseudogap-ului variază de la un punct la altul de pe suprafață, dar oriunde au ascultat, zgomotul suplimentar începea să crească exact la energia locală a pseudogap-ului. Același tipar s-a păstrat și la probe cu compoziții chimice diferite.

Să excludă alte surse de zgomot, cum ar fi atomii care se mișcă pe suprafață, a cerut muncă serioasă. «Zgomotul e super greu de interpretat și asta ne-a dat cele mai multe nopți nedormite», recunoaște Allan. Verificarea decisivă a presupus plasarea probelor în câmpuri magnetice de până la șase tesla, care suprimă împerecherea, dar lasă în mare parte intact tiparul electronilor lipsă. Pe măsură ce câmpul creștea, zgomotul scădea spre nivelul electronului singur, exact cum se aștepta dacă perechile erau vinovatele.

Puterea împerecherii se poate exprima prin energia necesară ca să sfâșii o pereche. Temperatura joasă ajută, pentru că, cu cât un material se încălzește, cu atât particulele sale se agită mai violent și mai multe perechi se rup. În supraconductorii convenționali, cele două ingrediente necesare, formarea perechilor și coerența de fază, apar simultan la temperatura critică. Coerența de fază e momentul în care electronii încep să se miște împreună, ca un fluid. În cuprați, studiul lui Allan și Swart arată o altă succesiune.

Energia de împerechere măsurată de echipă e mult peste temperatura la care materialul devine supraconductor. «Imaginea care se conturează este că mai întâi ai perechi preformate și abia la temperaturi mai joase apare coerența de fază», spune Swart. Asta sugerează că blocajul supraconductivității nu e să convingi electronii să se împerecheze, ci să faci perechile să se miște împreună.

«Dacă ai împerechere la energii atât de mari, înseamnă că poți împinge Tc mai sus», spune Allan, referindu-se la temperatura critică. «E ceva ce oamenii sperau încă din primele zile ale cuprașilor, iar acum toți se tem să mai pomenească asta. Dar pentru mine dă speranță.»

O lectură optimistă ar fi că electronii din cuprați ar putea, teoretic, să se împerecheze la temperatura camerei, iar noi trebuie doar să îi facem coerenți ca să obținem un supraconductor la temperatura camerei. Echipa însă consideră că asta e prea naiv. «Cred că și Ingmar, și eu credem că nu va fi atât de simplu, pentru că sunt tot felul de alte efecte cuplate acolo», spune Allan.

Cercetătorii subliniază și că experimentul nu răspunde complet la întrebarea centrală. Exclude ideea că pseudogap-ul vine doar din tipare înghețate, dar nu și ideea că astfel de tipare sunt împletite cu împerecherea. «Oricare ar fi explicația detaliată a pseudogap-ului, împerecherea ar trebui să facă parte din ea», spune Swart.

Pentru că tehnica își pierde sensibilitatea pe măsură ce temperatura crește, echipa nu a putut încă să asculte deasupra temperaturii de supraconductivitate, unde pseudogap-ul e definit de obicei. «Sper că alte grupuri vor face asta», spune Allan. «Ce limitează Tc, mai ales dacă energia de împerechere e mare? Ce se întâmplă la Tc? Asta e pentru mine cea mai interesantă întrebare.»

Swart vrea să facă hărți de zgomot ale suprafeței cu rezoluție mai mare și, în cele din urmă, un instrument care să detecteze direct coerența, ceea ce ar oferi markeri separați pentru debutul coerenței de fază și al împerecherii electronilor. Allan crede tot mai mult că drumul spre supraconductori mai buni trece prin chimie, ajutată de AI, nu prin fizică pură. «Când vine vorba de a face materialul supraconductor mai bun și de a crește Tc, am mai multă speranță în încercare și eroare directă», spune el.