超伝導体は抵抗なしで電気を運ぶが、そのほとんどは絶対零度から数度上でしか実現できない——つまり、「実用化」が遠い夢であり続ける温度域での話だ。1980年代後半、銅酸化物系と呼ばれる銅ベースの材料が、手頃な液体窒素で到達可能なより高い温度で超伝導を示すことが発見された。それから約40年経った今でも、物理学者たちはその理由について意見が一致していない。これは、仕組みを理解する前に動作することを発見したときに起こることだ——コンピュータを再起動して直したことがある人なら誰でもおなじみの状況である。

最近のScience誌の研究で、ミュンヘン大学のミラン・アランとオランダ・ユトレヒト大学のイングマール・スワートが率いるチームは、銅酸化物に流れ込む電流の微かな電気的パチパチ音に耳を傾けることで、いくつかの答えを見つけた。そう、彼らは文字通りノイズを「聴いた」のだ。それは「電源を切って入れ直す」ほど単純ではないが、それに近い。

この謎の中心にあるのは、擬ギャップと呼ばれる奇妙な状態だ。「擬ギャップは電子が消失する現象です」とアランは言う。銅酸化物が超伝導になる温度より上では、一部の電子が消えたように見える——測定では、あるべきエネルギーのところで電子がはるかに少ないことがわかる。「異なるプローブから、これらの消失する電子が見えることは誰もが知っていますが、なぜなのかは誰も知りません」とアランは言う。これは、鍵をなくして最後に探した場所で見つけるという物理学版だが、鍵は基本粒子で、最後の場所は量子状態だ。

何十年もの間、物理学者たちは主に2つの競合する説明を提唱してきた。第一の仮説は、電子が何らかの構造に閉じ込められ——電荷密度波のようなパターンに凍結し——超伝導性は別に発達するというものだ。代替案は、この現象を超伝導性と密接に結びつける。「他の人々は、電子がペアを形成するために消えると考えています」とアランは言う。クーパー対と呼ばれる電子のペアが、超伝導体で電流を運ぶ。これらのペアが材料が超伝導になる前に現れるなら、それらは超伝導性の前提条件——ペアは存在するが、まだ足並みを揃えて動けない待合室のようなもの——となるだろう。全員がパートナーを持っているが、誰も振り付けに同意できないダンスフロアを想像してほしい。

これを決着させるのは極めて困難だった。「多くの異なる実験的シグネチャーが、この中にごちゃ混ぜにされています」とアランは言う。異なる機器はすべて何かを見るが、その読み取りは決して決定的ではないとアランは言う。「それはいつも何か一貫性がなく、把握しにくいものです」と彼は言う。研究者たちが必要としていたのは、ペアを直接見る方法であり、アランと同僚たちはそれを突き止めた。

チームはショットノイズ——電流の流れを形成する個々の電荷の到着によって引き起こされる微小な変動——を聴くことにした。アランはそれが屋根を打つ雨音に似ていると言う。「雨粒があって、突然その粒を2倍の重さにしたら、ノイズが増えると想像してください」とアランは言う。「電子でも同様です。ペアリングに関連して、2つの電子が常に一緒に来るなら、ノイズが増えます」。だから次に誰かが電子機器のノイズについて文句を言ったら、それは単に電子がペアを組んでいるだけかもしれないと伝えてあげよう。

研究者たちは走査型トンネル顕微鏡でこの測定を行い、針のように鋭い先端と銅酸化物サンプルの間に電流を流し、特定のエネルギー準位と表面上の異なる場所でノイズを聴くことを可能にした。従来の超伝導体では、ペアリングはノイズのきれいな倍増を生み出す。銅酸化物では、単一電子がペアと並んで流れ続けるため、信号ははるかに弱い。それは、ほとんどの人がソロで歌っている混雑した部屋でデュエットを聴こうとするようなものだ。

ペアを識別できるほど機器を敏感にするには何年もかかった。「必要だったのは、非常に才能があり粘り強い学生たちで、彼らは何年も働きました——