Supergeleiders kunnen elektriciteit geleiden zonder weerstand dankzij Cooper-paren, elektronenduo's die samenwerken en ongehinderd door een materiaal schaatsen. In 2007, Onderzoekers van de Brown University hebben de verrassende ontdekking gedaan dat Cooper-paren ook in isolatiematerialen kunnen voorkomen. helpen de stroom van stroom te blokkeren in plaats van deze in te schakelen. Nu heeft diezelfde laboratoriumgroep de krachten onthuld die betrokken zijn bij deze 'Cooper-paarisolatoren'.

In een paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , laten de onderzoekers zien dat in de isolerende fase, Cooperparen worden in toom gehouden door de weerzinwekkende interacties tussen de paren onderling, niet door enige wanorde in het atomaire rooster van het materiaal. Dat inzicht kan belangrijk zijn bij het ontwerpen van materialen of apparaten die profiteren van de supergeleidende-isolerende overgang - een supergeleidende schakelaar, bijvoorbeeld.

"Essentieel voor elektronica is het manipuleren van hoe elektronen stromen, dus het vinden van nieuwe manieren waarop elektronen stromen, leidt tot nieuwe manipulatiemethoden voor implementatie in nieuwe apparaten, " zei Jim Valles, een professor in de natuurkunde aan Brown en senior auteur op het papier. "Dit werk geeft ons nieuwe informatie over de voortplanting van het Cooper-paar, wat nuttig zou kunnen zijn bij het manipuleren ervan in nieuwe apparaten."

In hun paper uit 2007 Valles en zijn collega's voerden experimenten uit op dunne films gemaakt van amorf bismut. Dikke blokken amorf bismut fungeren als supergeleiders, maar wanneer het wordt verkleind tot plakjes van slechts een paar atomen dik, het materiaal wordt een isolator.

Het eerste onderzoek door Valles en zijn collega's toonde aan dat Cooper-paren (die zijn genoemd naar Brown-natuurkundige Leon Cooper, die een Nobelprijs won voor het beschrijven van hun dynamiek) waren aanwezig in deze films. Maar in plaats van vrij te bewegen zoals ze doen in de supergeleidende staat, de Cooper-paren in de films kwamen vast te zitten op kleine eilandjes in het materiaal, niet in staat om naar het volgende eiland te springen. Het was niet duidelijk, echter, welke krachten de paren op hun plaats hielden. Dat is wat Valles en zijn collega's hoopten te vinden met deze nieuwe studie.

Een mogelijkheid voor wat de Cooper-paren op hun plaats houdt, is hun lading. Elk paar heeft een sterke negatieve lading, en deeltjes met dezelfde lading stoten elkaar af. Het kan zijn dat een Cooper-paar moeite heeft om naar het volgende eiland te springen omdat dat eiland al bezet is door een ander Cooper-paar dat zich terugtrekt. Hierdoor ontstaat een ladinggerelateerde verkeersopstopping die voorkomt dat een stroom over het materiaal gaat.

Valles en zijn collega's wilden dat scenario testen. Voor de studie, ze strooiden gadoliniumatomen in de atomaire structuur van hun bismutisolatoren. Gadolinium is magnetisch, en magnetisme verzwakt Cooper-paarkoppeling, waardoor ze mogelijk uiteenvallen in individuele elektronen. Als een paar Cooper-paren ook maar een ogenblik uit elkaar zouden vallen, het kan wat eilandruimte vrijmaken en intacte paren ruimte geven om te springen. Dus als er meer paren beginnen te springen naarmate er meer gadolinium wordt toegevoegd, het zou een duidelijk signaal zijn dat de weerstand in dit materiaal wordt aangedreven door deze ladinggerelateerde verkeersopstopping. En dat is precies wat de experimenten lieten zien.

"Het is deze combinatie van die kleine eilanden in de films en de barrières tussen die eilanden gecreëerd door de weerzinwekkende interactie van de Cooper-paren die aanleiding geven tot deze weerstand, ' zei Vallees.

Dit is de eerste keer dat iemand andere factoren heeft kunnen uitsluiten die kunnen bijdragen aan resistentie. Een andere mogelijkheid was een fenomeen dat bekend staat als Anderson-lokalisatie, die te maken heeft met wanorde in de structuur van een materiaal. Anderson-effecten kunnen belangrijk zijn bij temperaturen rond het absolute nulpunt, waar ze bijdragen aan een nog exotischere staat die bekend staat als superisolatie, waarin de weerstand oneindig wordt. Maar bij relatief hogere temperaturen dit onderzoek laat zien dat het de lading is die belangrijk is. En dat zou gevolgen kunnen hebben voor het ontwerp van nieuwe elektronische apparaten - misschien supergeleidende schakelaars voor logische poorten.

"Het is mogelijk dat we hier een lagetemperatuurschakelaar uit kunnen halen, "Zei Valles. "Of als we dit gedrag uit een hoge temperatuur supergeleider zouden kunnen krijgen, we kunnen een versie met hogere temperatuur krijgen, die misschien nog meer praktisch nut hebben."