Voor de eerste keer, natuurkundigen hebben een vermoeden uit 1959 experimenteel gevalideerd dat grenzen stelt aan hoe klein supergeleiders kunnen zijn. Het begrijpen van supergeleiding (of het gebrek daaraan) op nanoschaal zal naar verwachting belangrijk zijn voor het ontwerpen van toekomstige kwantumcomputers, onder andere toepassingen.

1959, natuurkundige P.W. Anderson vermoedde dat supergeleiding alleen kan bestaan ​​in objecten die groot genoeg zijn om aan bepaalde criteria te voldoen. Namelijk, de supergeleidende spleetenergie van het object moet groter zijn dan de afstand tussen de elektronische energieniveaus - en deze afstand neemt toe naarmate de grootte kleiner wordt. Het afkappunt (waar de twee waarden gelijk zijn) komt overeen met een volume van ongeveer 100 nm ³ . Tot nu toe was het niet mogelijk om de Anderson-limiet experimenteel te testen vanwege de uitdagingen bij het waarnemen van supergeleidende effecten op deze schaal.

In de nieuwe studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie , Sergio Vlaic en co-auteurs van de Universiteit Paris Sciences et Lettres en het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek (CNRS) ontwierpen een nanosysteem waarmee ze voor het eerst de Anderson-limiet experimenteel konden onderzoeken.

De Anderson-limiet ontstaat omdat, op zeer kleine schaal, de mechanismen die ten grondslag liggen aan supergeleiding werken in wezen niet meer. In het algemeen, supergeleiding treedt op wanneer elektronen aan elkaar binden om Cooper-paren te vormen. Cooperparen hebben een iets lagere energie dan individuele elektronen, en dit verschil in energie is de supergeleidende spleetenergie. De lagere energie van de Cooper-paren remt elektronenbotsingen die normaal gesproken weerstand veroorzaken. Als de supergeleidende kloofenergie te klein wordt en verdwijnt - wat kan gebeuren, bijvoorbeeld, wanneer de temperatuur stijgt - dan hervatten de elektronenbotsingen en is het object geen supergeleider meer.

De Anderson-limiet laat zien dat kleine afmetingen een andere manier zijn waarop een object kan ophouden een supergeleider te zijn. Echter, in tegenstelling tot de effecten van het verhogen van de temperatuur, dit is niet omdat kleinere objecten een kleinere supergeleidende spleetenergie hebben. In plaats daarvan, het ontstaat omdat kleinere kristallen minder elektronen hebben, en daardoor minder elektronen energieniveaus, dan grotere kristallen. Aangezien de totale mogelijke elektronenenergie van een element hetzelfde blijft, ongeacht de grootte, kleinere kristallen hebben grotere afstanden tussen hun elektronenenergieniveaus dan grotere kristallen.

Volgens Anderson, deze grote elektronische energieniveau-afstand zou een probleem moeten vormen, en hij verwachtte dat supergeleiding zou verdwijnen wanneer de afstand groter wordt dan de supergeleidende spleetenergie. De reden voor dit, in het algemeen, is dat een gevolg van grotere afstand een afname van potentiële energie is, die interfereert met de concurrentie tussen kinetische en potentiële energie die nodig is voor het optreden van supergeleiding.

Om te onderzoeken wat er gebeurt met de supergeleiding van objecten rond de Anderson-limiet, de wetenschappers in de nieuwe studie bereidden grote hoeveelheden geïsoleerde loodnanokristallen voor, variërend in volume van 20 tot 800 nm ³ .

Hoewel ze de supergeleiding van zulke kleine objecten niet direct konden meten, konden de onderzoekers iets meten dat het pariteitseffect wordt genoemd, die het gevolg is van supergeleiding. Wanneer een elektron wordt toegevoegd aan een supergeleider, de extra energie wordt gedeeltelijk beïnvloed door het feit of er een even of oneven aantal elektronen is (de pariteit), wat te wijten is aan de elektronen die Cooper-paren vormen. Als de elektronen geen Cooper-paren vormen, er is geen pariteitseffect, wat aangeeft dat er geen supergeleiding is.

Hoewel het pariteitseffect eerder is waargenomen in grote supergeleiders, deze studie is de eerste keer dat het is waargenomen in kleine nanokristallen die de Anderson-limiet naderen. In overeenstemming met Anderson's voorspellingen van meer dan 50 jaar geleden, de onderzoekers observeerden het pariteitseffect voor grotere nanokristallen, maar niet voor de kleinste nanokristallen onder ongeveer 100 nm ³ .

De resultaten valideren niet alleen het vermoeden van Anderson, maar strekken zich ook uit tot een meer algemeen gebied, de Richardson-Gaudin-modellen. Deze modellen zijn equivalent aan de conventionele theorie van supergeleiding, de Bardeen Cooper Schrieffer-theorie, voor zeer kleine voorwerpen.

"Onze experimentele demonstratie van het vermoeden van Anderson is ook een demonstratie van de geldigheid van de Richardson-Gaudin-modellen, " vertelde co-auteur Hervé Aubin aan de Universiteit Paris Sciences et Lettres en CNRS Phys.org . "De Richardson-Gaudin-modellen zijn een belangrijk stuk theoretisch werk omdat ze precies kunnen worden opgelost en kunnen worden toegepast op een breed scala aan systemen; niet alleen voor supergeleidende nanokristallen, maar ook voor atoomkernen en koud fermionische atoomgas, waar protonen en neutronen, die fermionen zijn zoals elektronen, kan ook Cooper-paren vormen."

Aan de meer praktische kant, de onderzoekers verwachten dat de resultaten zullen worden toegepast in toekomstige kwantumcomputers.

"Een van de meest interessante toepassingen van supergeleidende eilanden is hun gebruik als Cooper-paarboxen die worden gebruikt in kwantumbits, de elementaire eenheid van een hypothetische kwantumcomputer, ' zei Aubin. 'Tot nu toe, Cooper-paarboxen die in qubits worden gebruikt, zijn veel groter dan de Anderson-limiet. Bij het verkleinen van de Cooper-paardoos, kwantumcomputeringenieurs zullen uiteindelijk te maken krijgen met supergeleiding bij de Anderson-limiet."

© 2017 Fys.org