En ny form av materia, baserad på elektroner i grupper om fyra, ser ut att kunna ha nya och oanade förmågor. Egor Babaev och hans forskargrupp ska nu kartlägga denna supermateria och dess nya egenskaper.
Projektanslag 2024
Project: ”Emerging Frontiers: unraveling the properties of the new state of matter: electron quadrupling condensates”
Huvudsökande:
Egor Babaev, professor i teoretisk fysik
Medsökande:
KTH
Yunxiang Liao
Stockholms universitet
Johan Carlström
Vladimir Krasnov
Andreas Rydh
Lärosäte:
KTH
Beviljat anslag:
26 000 000 kronor under fem år
Materia kan befinna sig i fast form, flytande- eller gasform. Dessa former av materia kallas inom fysiken materietillstånd. Huruvida exempelvis vatten förekommer som solid is, vätska eller ånga bestäms av hur kvantar och elektroner flödar och arrangerar sig i atomer och molekyler.
Ända sedan antiken har en central fråga inom fysiken varit vilka materietillstånd som är möjliga. Numera vet vi att det finns fler materietillstånd än de tre klassiska som nämns här ovan. Material som kyls ned till ultralåga temperaturer kan exempelvis inträda i ett tillstånd som leder ström utan motstånd, en egenskap som gett världen supraledare.
År 1957 lanserades en ny teori, känd som Bardeen-Cooper-Schrieffer-teorin, BCS-teorin. Enligt den uppstår supraledning när elektroner bildar par. När ett sådant elektron-par bildas kommer det att agera som ett kollektivt kondensat, det vill säga ett materietillstånd där elektroner flödar samman och tillåter elektricitet att flöda friktionsfritt. I praktiken förlorar de sin individuella identitet och följer istället kvantvärldens regler, vilket skänker materian nya egenskaper.
Ansågs vara omöjligt
Under nästan ett halvt sekel efter att BCS-teorin presenterades var den rådande uppfattningen bland världens fysiker att elektroner endast kunde binda i par.
Men, 2002, förutsåg Egor Babaev, då som ung doktorand i teoretisk fysik vid Uppsala universitet, att elektroner i teorin kunde samordna sig i grupper om fyra – i kvadruplar – under vissa omständigheter. I flera år försökte han få sina resultat publicerade i en artikel utan framgång. Men 2004 blev den till slut antagen.
Det skulle dock ta ytterligare tjugo år innan Babaev tillsammans med forskarna Andreas Rydh och Vadim Grinenko och andra kollegor genom fysiska experiment lyckades bevisa att kvadruplar existerar.
Genombrottet presenterades på förstasidan i Nature Physics 2021.
– Det var fantastiskt. De första experimenten avslöjade fysikaliska egenskaper som ansågs omöjliga. Försöksledaren tog till och med prover för att upprepa mätningarna vid ett annat universitet. De första experimentresultaten rapporterades vid en konferens i Stockholm 2018, men upprepades sedan flera gånger innan artikeln publicerades 2021, berättar han.
Kvadruplarna utgör liksom Cooper-paren ett kondensat. Materian kan sägas befinna sig i en komplett ny form vars egenskaper till stora delar är outforskade.
I byggnaden Alba Nova på KTH i Stockholm leder Egor Babaev en liten forskargrupp med såväl teoretiker som experimentalister, som nu i detalj ska kartlägga det upptäckta tillståndets egenskaper i ett projekt som under fem år finansieras av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse.
Skiljer sig från supraledare
Det nya materietillståndet skapar forskarna själva i ett renrum på Alba Nova, där de sänker temperaturen på ett järnbaserat material som är dopat med kalium. När partiklarna kyls ned till nära den absoluta nollpunkten uppstår fenomenet.
Hittills har forskarna sett att detta materietillstånd bland annat kan producera spontana magnetfält. Och i kontrast till supraledare, behåller det sin viskositet, motstånd, när det är nedkylt. Det betyder att dess egenskaper väsentligt skiljer sig från det som skapar supraledning.
”Supermateria” används vanligen för att beskriva materietillstånd som saknar motstånd eller viskositet bortom de tre klassiska tillstånden: fast form, vätska och gas. Dessa nya tillstånd kan delas in i kategorierna: supraledare, supravätskor, supraflytande gas och supersolid materia.
Genom att studera den järnbaserade supermaterian hoppas KTH-gruppen avslöja många nya och oanade egenskaper.
– De mätningar som vi har gjort så här långt visar att materian kan ha egenskaper som hittills saknar motstycke, säger Egor Babaev.
Om dessa tidiga rön kan bekräftas framöver hoppas forskarna att egenskaperna i framtiden kan komma till nytta i exempelvis sensorer eller kvantdatorer.
Kan högre ordningar existera?
Än så länge har de bara lyckats åstadkomma ett nytt materietillstånd, det järnbaserade. Men samtidigt undersöker de också huruvida det är möjligt att använda andra metalliska material för att åstadkomma liknande okända materietillstånd. Principiellt sett borde det vara möjligt, förklarar Babaev.
– Vi har redan vissa bevis för att andra material kan användas för samma ändamål. Det vi upptäcker är inte bara ett nytt tillstånd av materia, utan en helt ny familj av tillstånd av materia.
En annan stor fråga för gruppen är om det existerar materietillstånd med bindningstal som är högre än fyra. Kan det utöver kvadruplar också finnas exempelvis sextetter av elektroner i fysikens spöklika och förunderliga värld av materia?
– Ja, 2010 förutsåg vi också att det teoretiskt kan finnas kondensater av högre ordning som sextetter och till och med oktetter, säger han och tillägger att det i Kina också pågår ett experimentellt arbete med kondensat av sextetter.
Text Monica Kleja
Bild Magnus Bergström
