Onderzoekers van de Brown University hebben een ongebruikelijke methode aangetoond om supergeleiding af te remmen. het vermogen van een materiaal om een ​​elektrische stroom te geleiden zonder weerstand.

Het onderzoek toont aan dat zwakke magnetische velden - veel zwakker dan die welke normaal supergeleiding onderbreken - kunnen interageren met defecten in een materiaal om een ​​"willekeurig meetveld, " een soort kwantum hindernisbaan die weerstand genereert voor supergeleidende elektronen.

"We verstoren supergeleiding op een manier die mensen nog niet eerder hebben gedaan, " zei Jim Valles, een professor in de natuurkunde aan Brown die het werk leidde. "Dit soort faseovergang met een willekeurig meetveld was theoretisch voorspeld, maar dit is de eerste keer dat het is aangetoond in een experiment."

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten .

De supergeleidende toestand hangt af van de vorming en voortplanting van "Cooper-paren, " gekoppelde elektronen die, bij zeer lage temperaturen, gedragen zich meer als golven dan als deeltjes. Hun golfachtige eigenschap stelt hen in staat om door de structuur van een materiaal te reizen zonder onderweg tegen atoomkernen te botsen, het verminderen van de weerstand die ze tegenkomen tot nul. Cooper-paren zijn vernoemd naar Leon Cooper, een natuurkundige van de Brown University die in 1972 de Nobelprijs voor de natuurkunde kreeg voor het verklaren van hun gedrag.

De bindingen tussen gepaarde elektronen zijn niet bijzonder sterk. Een kleine temperatuurstijging of de aanwezigheid van een magnetisch veld met een sterkte boven een kritische waarde (de waarde varieert een beetje voor verschillende materialen) kan de paren uit elkaar halen, die op zijn beurt de supergeleidende toestand verbreekt.

Maar Valles en zijn collega's onderzochten een andere methode om supergeleiding te vernietigen. In plaats van de Cooper-paren uit elkaar te halen, Het team van Valles wilde kijken of ze de manier waarop de paren zich voortplanten konden verstoren.

Wanneer een materiaal supergeleidend is, Cooperparen planten zich "in fase voort, " wat betekent dat de pieken en dalen van hun kwantumgolven gecorreleerd zijn. Door de golven uit fase te kloppen, zouden ze zich niet kunnen voortplanten op een manier die de supergeleidende toestand zou ondersteunen, waardoor het materiaal wordt omgezet in een isolator.

Om het fenomeen aan te tonen, Valles en zijn collega's maakten kleine supergeleidende chips van amorf bismut. De chips zijn gemaakt met gaten op nanoschaal, gerangschikt in een willekeurig herhalend honingraatpatroon. Het team paste vervolgens een zwak magnetisch veld toe op de chips. Onder normale omstandigheden, een supergeleider zal elk magnetisch veld onder een kritische waarde afstoten en supergeleidend blijven. Maar de defecten in het bismut zorgden ervoor dat het materiaal het magnetische veld op een eigenaardige manier afstootte, vormen kleine draaikolken van elektrische stroom rond elk gat.

Aan supergeleidende Cooper-paren, die draaikolken vormen een kwantum hindernisbaan die te moeilijk is om over te steken. De huidige draaikolken duwen en trekken op de golffronten van passerende Cooper-paren in willekeurige patronen, de golven uit fase met elkaar slaan.

"We verstoren de coherente beweging van de golffronten, "Zei Valles. "Als gevolg hiervan worden de Cooper-paren gelokaliseerd - niet in staat om zich voort te planten - en gaat het systeem van supergeleidend naar isolerend."

Het onderzoek kan wetenschappers helpen de fundamentele eigenschappen van supergeleidende materialen te begrijpen, in het bijzonder hoe defecten in die materialen de supergeleiding in bepaalde situaties kunnen onderbreken. Begrijpen hoe deze materialen zich gedragen, zal belangrijk zijn naarmate hun gebruik toeneemt in toepassingen zoals kwantumcomputers, die zullen steunen op consistente supergeleidende toestanden.

"Op het gebied van technologie we proberen steeds meer uit de kwantumeigenschappen van materialen te halen, maar die materialen hebben allemaal deze rommelige onzuiverheden in zich, "Zei Valles. "We hebben de effecten aangetoond van een bepaald soort kwantumwillekeurigheid in een supergeleider die wordt aangedreven door een magnetisch veld en willekeurige defecten. Dit werk kan dus interessant zijn om te begrijpen welke beperkingen er zijn bij het benutten van de kwantumeigenschappen van materialen."

Valles heeft goede hoop dat de bevindingen en de techniek die in het artikel worden beschreven, tot andere fundamentele vooruitgang zullen leiden.

"We kunnen deze faseverschuiver op een goed gedefinieerde manier afstemmen die eenvoudig te modelleren is, waardoor we kwantumfaseovergangen een beetje beter kunnen begrijpen, "Zei Valles. "Dus in zekere zin, we hebben een nieuwe knop gemaakt die we kunnen draaien om de eigenschappen van deze materialen te beïnvloeden en te zien hoe ze reageren."