Nadprzewodniki przewodzą prąd bez oporu – wyczyn, który większość z nich osiąga tylko kilka stopni powyżej zera absolutnego, czyli w temperaturach, w których „praktyczne zastosowanie” pozostaje odległym marzeniem. Pod koniec lat 80. odkryto, że materiały na bazie miedzi, zwane kupratami, nadprzewodzą w wyższych temperaturach, osiągalnych dzięki niedrogiemu ciekłemu azotowi. Prawie 40 lat później fizycy wciąż nie są zgodni co do tego, dlaczego. Tak to jest, gdy odkryjesz, że coś działa, zanim zrozumiesz, jak – sytuacja znana każdemu, kto kiedykolwiek naprawił komputer, restartując go.

W niedawnym badaniu opublikowanym w „Science” zespół kierowany przez Milana Allana z Uniwersytetu Ludwika Maksymiliana w Monachium i Ingmara Swarta z Uniwersytetu w Utrechcie w Holandii znalazł kilka odpowiedzi, słuchając cichego trzasku elektrycznego prądu wpływającego do kupratu. Tak, dosłownie słuchali szumu. To nie jest całkiem „wyłącz i włącz ponownie”, ale blisko.

W centrum zagadki znajduje się dziwny stan zwany pseudoszczeliną. „Pseudoszczelina to zjawisko brakujących elektronów” – powiedział Allan. Powyżej temperatury, w której kupraty stają się nadprzewodzące, niektóre z ich elektronów wydają się znikać – pomiary wykrywają ich znacznie mniej przy energiach, przy których powinny być. „Wszyscy wiedzą, że z różnych sond widać, że te elektrony znikają, ale nikt nie wie dlaczego” – powiedział Allan. To fizyczny odpowiednik zgubienia kluczy i znalezienia ich w ostatnim miejscu, w którym się szuka, z tym że klucze to cząstki elementarne, a ostatnie miejsce to stan kwantowy.

Przez dziesięciolecia fizycy wysuwali dwie główne, konkurencyjne hipotezy. Pierwsza zakłada, że elektrony grzęzną w jakiejś strukturze – zamarzają w wzory, takie jak fale gęstości ładunku – a nadprzewodnictwo rozwija się osobno. Alternatywa ściśle wiąże to zjawisko z nadprzewodnictwem. „Inni uważają, że brakuje ich, bo tworzą pary” – powiedział Allan. Pary elektronów, zwane parami Coopera, przenoszą prąd w nadprzewodniku. Jeśli te pary pojawiają się, zanim materiał staje się nadprzewodzący, byłyby warunkiem wstępnym nadprzewodnictwa – czymś w rodzaju poczekalni, w której pary istnieją, ale nie mogą jeszcze poruszać się razem w rytmie. Wyobraź sobie parkiet taneczny, gdzie wszyscy mają partnera, ale nikt nie może się zgodzić co do choreografii.

Rozstrzygnięcie tego okazało się niezwykle trudne. „Wiele różnych sygnatur eksperymentalnych jest niejako wrzucanych do jednego worka” – powiedział Allan. Różne instrumenty widzą coś, ale ich odczyty, jak mówi Allan, nigdy nie są rozstrzygające. „To zawsze coś niespójnego, trudnego do uchwycenia” – powiedział. Badacze potrzebowali sposobu, by zobaczyć pary bezpośrednio, i Allan ze współpracownikami to wymyślili.

Zespół postanowił słuchać szumu śrutowego – drobnych fluktuacji powodowanych przez docieranie pojedynczych ładunków tworzących strumień prądu elektrycznego. Allan mówi, że przypomina to bębnienie deszczu o dach. „Jeśli wyobrazisz sobie, że masz krople deszczu, a potem nagle sprawiasz, że krople stają się dwa razy cięższe, będzie więcej szumu” – powiedział Allan. „Z elektronami jest podobnie. Jeśli masz dwa elektrony zawsze przychodzące razem, ponieważ są związane w parę, to będzie więcej szumu”. Więc następnym razem, gdy ktoś narzeka na hałaśliwą elektronikę, powiedz mu, że to mogą być po prostu elektrony łączące się w pary.

Badacze dokonali tego pomiaru za pomocą skaningowego mikroskopu tunelowego, który przepuszczał prąd między igłą o ostrym końcu a próbką kupratu, pozwalając im słuchać szumu przy określonych poziomach energii i w różnych miejscach na powierzchni. W konwencjonalnych nadprzewodnikach parowanie daje czyste podwojenie szumu. W kupratach sygnał jest znacznie słabszy, ponieważ pojedyncze elektrony wciąż płyną obok par. To jak próba usłyszenia duetu w zatłoczonym pokoju, gdzie większość ludzi śpiewa solo.

Uczynienie instrumentu wystarczająco czułym, by rozróżnić pary, zajęło lata. „Potrzebni byli bardzo utalentowani i wytrwali studenci, którzy pracowali przez, nie wiem,