Сверхпроводники проводят электричество без сопротивления — подвиг, который большинство из них совершают лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля, то есть при температурах, где «практическое применение» остаётся далёкой мечтой. В конце 1980-х было обнаружено, что материалы на основе меди, называемые купратами, сверхпроводят при более высоких температурах, достижимых с помощью доступного жидкого азота. Почти 40 лет спустя физики всё ещё не пришли к единому мнению о причинах. Вот что бывает, когда вы обнаруживаете, что что-то работает, раньше, чем понимаете, почему — ситуация, знакомая каждому, кто когда-либо чинил компьютер перезагрузкой.

В недавнем исследовании, опубликованном в Science, команда под руководством Милана Аллана из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана и Ингмара Сварта из Утрехтского университета в Нидерландах нашла некоторые ответы, прислушавшись к слабому электрическому потрескиванию тока, текущего в купрате. Да, они буквально слушали шум. Это не совсем «выключить и включить снова», но близко к тому.

В центре загадки — странное состояние, называемое псевдощелью. «Псевдощель — это явление исчезающих электронов», — сказал Аллан. Выше температуры, при которой купраты становятся сверхпроводящими, некоторые их электроны, по-видимому, исчезают — измерения обнаруживают их гораздо меньше при энергиях, где они должны быть. «Все знают, что с помощью разных зондов видно, что эти исчезающие электроны есть, но никто не знает почему», — сказал Аллан. Это физический эквивалент потери ключей и обнаружения их в последнем месте, где вы ищете, только ключи — это фундаментальные частицы, а последнее место — квантовое состояние.

За десятилетия физики выдвинули два основных конкурирующих объяснения. Первое предполагает, что электроны застревают в некой структуре — замерзают в узоры, подобные волнам зарядовой плотности, — а сверхпроводимость развивается отдельно. Альтернатива тесно связывает это явление со сверхпроводимостью. «Другие думают, что они исчезают, потому что образуют пары», — сказал Аллан. Пары электронов, называемые куперовскими парами, — это то, что переносит ток в сверхпроводнике. Если эти пары появляются до того, как материал становится сверхпроводящим, они были бы предварительным условием сверхпроводимости — своего рода залом ожидания, где пары существуют, но пока не могут двигаться синхронно. Представьте танцпол, где у всех есть партнёр, но никто не может договориться о хореографии.

Разрешить этот вопрос оказалось чрезвычайно трудно. «Множество различных экспериментальных сигнатур как бы свалены в кучу внутри этого», — сказал Аллан. Разные инструменты все что-то видят, но их показания, по словам Аллана, никогда не бывают окончательными. «Это всегда что-то довольно бессвязное, трудноуловимое», — сказал он. Исследователям нужен был способ увидеть пары напрямую, и Аллан с коллегами придумали, как это сделать.

Команда решила прислушаться к дробовому шуму — крошечным флуктуациям, вызванным прибытием отдельных зарядов, образующих поток электрического тока. Аллан говорит, что это напоминает барабанящий по крыше дождь. «Если представить, что у вас есть капли дождя, и вдруг вы делаете капли вдвое тяжелее, шума станет больше», — сказал Аллан. «С электронами похоже. Если у вас два электрона всегда приходят вместе, потому что они связаны в пару, то шума будет больше». Так что в следующий раз, когда кто-то пожалуется на шумную электронику, скажите им, что это, возможно, просто электроны сбиваются в пары.

Исследователи провели это измерение с помощью сканирующего туннельного микроскопа, который пропускал ток между иглообразным остриём и образцом купрата, позволяя им слушать шум на определённых уровнях энергии и в разных точках поверхности. В обычных сверхпроводниках образование пар даёт чистое удвоение шума. В купратах сигнал гораздо слабее, потому что одиночные электроны продолжают течь наряду с парами. Это как пытаться услышать дуэт в переполненной комнате, где большинство людей поют соло.

Сделать инструмент достаточно чувствительным, чтобы различать пары, заняло годы. «Для этого потребовались очень талантливые и настойчивые студенты, которые работали, я не знаю, сколько...»