Анализ снимков показывает, как электроны объединяются в пары для движения по проводам без сопротивления. Физики из Массачусетского технологического института (MIT) сделали снимки пары частиц внутри облака атомов, имитирующего сверхпроводящий материал. Это первые изображения, которые непосредственно фиксируют формирование пар фермионов. Это класс частиц с полуцелым спином, в который входят электроны, протоны, нейтроны и некоторые типы атомов.

Непосредственно наблюдать за образованием пар электронов в сверхпроводящих материалах — невыполнимая задача: они слишком малы и слишком быстры для захвата с помощью существующих методов визуализации. Чтобы понять их поведение, физики изучили поведение атомов калия-40. Они также являются фермионами и подобно электронам могут формировать пары между частицами с разными спинами.

Физики использовали для экспериментов разбавленный газ, состоящий примерно из тысячи атомов калий-40. Они охладили его до температуры в несколько нанокельвинов (практически до абсолютного нуля), чтобы максимально замедлить движения атомов. Охлажденный газ поместили в оптическую решетку (сетку лазерного света). Внутри такой системы можно точно определять местоположение конкретного атома.

Физики улучшила существующую технику визуализации фермионов, что позволило им на мгновение заморозить атомы на месте, а затем сделать снимки атомов калия-40 отдельно с тем или иным конкретным спином. Затем исследователи наложили изображение одного типа атома на другой и посмотрели, где и как частицы с разным спином формировали пары.

Иллюстрация связанных пар атомов с разным спином (красные и синие кружки) внутри лазерной сетки. Изображение: Thomas Hartke, MIT

Даже на отдельных изображениях было видно множество локальных пар. Анализируя наборы из сотен снимков, физики подтвердили, что атомы действительно появляются парами. Иногда они соединялись в тесную пару внутри одного квадрата, а иногда образовывали более свободные пары, разделенные одним или несколькими интервалами сетки. Такое дистанционное существование пары было предсказано ранее, но никогда не наблюдалось.

Фермионные пары — основа сверхпроводимости. В традиционных проводниках движение электронов случайно, они могут сталкиваться с другими частицами с выделением тепла. Пары, сформированные в сверхпроводниках, позволяют электронам двигаться без трения. Моделирование и визуализация фермионных пар поможет лучше исследовать физику этого процесса и разработать новые сверхпроводящие материалы, считают ученые.