초전도체는 저항 없이 전기를 운반한다. 대부분의 초전도체는 절대 영도보다 겨우 몇 도 높은 온도에서만 이 능력을 발휘하는데, 이는 "실용적 응용"이 여전히 먼 꿈으로 남아 있는 온도다. 1980년대 후반, 큐프레이트라고 불리는 구리 기반 물질이 값싼 액체 질소로 도달 가능한 더 높은 온도에서 초전도 현상을 보인다는 사실이 발견되었다. 거의 40년이 지난 지금도 물리학자들은 그 이유에 대해 합의하지 못하고 있다. 이것은 무언가가 작동한다는 것을 이해하기 전에 발견했을 때 벌어지는 일이다. 컴퓨터를 재시동해서 고친 적이 있는 사람이라면 누구나 익숙한 상황이다.

최근 《사이언스》 연구에서 뮌헨 루트비히 막시밀리안 대학의 밀란 앨런과 네덜란드 위트레흐트 대학의 잉그마르 스바르트가 이끄는 팀은 큐프레이트로 흘러 들어가는 전류의 희미한 전기 잡음에 귀를 기울여 몇 가지 답을 찾아냈다. 그렇다. 그들은 말 그대로 노이즈를 들었다. "껐다가 다시 켜기"는 아니지만, 거의 비슷하다.

수수께끼의 핵심에는 의사 갭(pseudogap)이라는 이상한 상태가 있다. "의사 갭은 전자가 사라지는 현상입니다."라고 앨런은 말했다. 큐프레이트가 초전도체가 되는 온도 위에서, 그들의 전자 일부가 사라지는 것처럼 보인다. 측정 결과, 있어야 할 에너지 준위에서 전자가 훨씬 적게 발견된다. "모든 사람이 다양한 탐침을 통해 이 사라지는 전자들이 있다는 것을 알지만, 아무도 그 이유를 모릅니다."라고 앨런은 말했다. 이것은 열쇠를 잃어버렸다가 마지막으로 찾는 곳에서 발견하는 것과 물리학적으로 동등하다. 단, 열쇠는 기본 입자이고 마지막으로 찾는 곳은 양자 상태라는 점만 다르다.

수십 년 동안 물리학자들은 두 가지 주요 경쟁 설명을 내놓았다. 첫 번째는 전자가 어떤 구조에 갇혀서 전하 밀도 파동 같은 패턴으로 얼어붙고, 초전도성은 별도로 발생한다고 가정한다. 다른 설명은 이 현상을 초전도성과 긴밀하게 연결한다. "다른 사람들은 전자가 짝을 이루기 때문에 사라진다고 생각합니다."라고 앨런은 말했다. 쿠퍼 쌍이라고 불리는 전자 쌍은 초전도체에서 전류를 운반한다. 만약 이 쌍들이 물질이 초전도체가 되기 전에 나타난다면, 그것들은 초전도성의 전제 조건이 될 것이다. 일종의 대기실로, 쌍은 존재하지만 아직 함께 움직일 수는 없는 곳이다. 모든 사람이 파트너는 있지만 안무에 동의하지 못하는 댄스 플로어를 상상해 보라.

이 문제를 해결하는 것은 극히 어려웠다. "많은 다양한 실험적 특징들이 이 안에 뒤섞여 있습니다."라고 앨런은 말했다. 다른 기기들이 모두 무언가를 보지만, 그들의 판독값은 결코 결정적이지 않다고 앨런은 말했다. "항상 일종의 일관성이 없고 파악하기 어려운 것입니다."라고 그는 말했다. 연구자들에게 필요했던 것은 쌍을 직접 볼 수 있는 방법이었고, 앨런과 동료들은 그것을 알아냈다.

팀은 전류의 흐름을 형성하는 개별 전하의 도착으로 인한 미세한 변동인 샷 노이즈를 듣기로 결정했다. 앨런은 그것이 지붕을 두드리는 빗소리와 비슷하다고 말한다. "빗방울이 있고 갑자기 빗방울을 두 배로 무겁게 만들면 소음이 더 커질 것이라고 상상해 보세요."라고 앨런은 말했다. "전자의 경우도 비슷합니다. 두 전자가 항상 함께 오는데, 그것이 쌍을 이루기 때문이라면 소음이 더 커질 것입니다." 그러니 다음에 누군가 전자 제품의 소음에 대해 불평하면, 그것이 전자가 짝을 이루고 있는 것일 수도 있다고 말해 주라.

연구자들은 주사 터널링 현미경으로 이 측정을 수행했는데, 이 현미경은 바늘처럼 뾰족한 팁과 큐프레이트 샘플 사이에 전류를 통과시켜 특정 에너지 준위와 표면의 다른 위치에서 노이즈를 들을 수 있게 했다. 기존 초전도체에서는 쌍 형성이 노이즈를 깔끔하게 두 배로 만든다. 큐프레이트에서는 신호가 훨씬 약한데, 단일 전자가 쌍과 나란히 계속 흐르기 때문이다. 대부분의 사람들이 독창으로 노래하는 붐비는 방에서 이중창을 들으려는 것과 같다.

쌍을 식별할 수 있을 만큼 기기를 민감하게 만드는 데는 수년이 걸렸다. "필요했던 것은 매우 재능 있고 끈기 있는 학생들이었는데, 그들은 아마도, 글쎄, 몇 년 동안 일했습니다."라고 앨런은 말했다.