Faseovergangen treden op wanneer een stof verandert van een vaste stof, vloeibare of gasvormige toestand naar een andere toestand, zoals smeltend ijs of condensatie van damp. Tijdens deze faseovergangen er is een punt waarop het systeem eigenschappen van beide toestanden van materie tegelijkertijd kan weergeven. Een soortgelijk effect treedt op wanneer normale metalen overgaan in supergeleiders - kenmerken fluctueren en eigenschappen waarvan wordt verwacht dat ze tot de ene toestand behoren, worden overgedragen naar de andere.

Wetenschappers van Harvard hebben een op bismut gebaseerde, tweedimensionale supergeleider die slechts één nanometer dik is. Door fluctuaties in dit ultradunne materiaal te bestuderen terwijl het overgaat in supergeleiding, de wetenschappers kregen inzicht in de processen die meer in het algemeen supergeleiding stimuleren. Omdat ze elektrische stromen kunnen voeren met een weerstand van bijna nul, naarmate ze worden verbeterd, supergeleidende materialen zullen worden toegepast in vrijwel elke technologie die elektriciteit gebruikt.

De wetenschappers van Harvard gebruikten de nieuwe technologie om experimenteel een 23 jaar oude theorie van supergeleiders te bevestigen, ontwikkeld door wetenschapper Valerii Vinokur van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE).

Een interessant fenomeen voor wetenschappers is de volledige omkering van het goed bestudeerde Hall-effect wanneer materialen overgaan in supergeleiders. Wanneer een normale, niet-supergeleidend materiaal voert een aangelegde stroom en is onderworpen aan een magnetisch veld, een spanning wordt geïnduceerd over het materiaal. Bij dit normale Hall-effect wijst de spanning in een specifieke richting, afhankelijk van de oriëntatie van het veld en de stroom.

interessant, wanneer materialen supergeleiders worden, het teken van de Hall-spanning keert om. Het 'positieve' uiteinde van het materiaal wordt het 'negatieve'. Dit is een bekend fenomeen. Maar hoewel het Hall-effect lange tijd een belangrijk hulpmiddel is geweest dat wetenschappers gebruiken om de soorten elektronische eigenschappen te bestuderen die van een materiaal een goede supergeleider maken, de oorzaak van dit omgekeerde Hall-effect is decennia lang mysterieus gebleven voor wetenschappers, vooral met betrekking tot supergeleiders bij hoge temperatuur waarvoor het effect sterker is.

1996, theoreticus Vinokur, een Argonne Distinguished Fellow, en zijn collega's presenteerden een uitgebreide beschrijving van dit effect (en meer) in supergeleiders bij hoge temperaturen. De theorie hield rekening met alle betrokken drijvende krachten, en het bevatte zoveel variabelen dat het experimenteel testen onrealistisch leek - tot nu toe.

"We dachten dat we deze problemen echt hadden opgelost, " zei Vinokur, "maar de formules voelden toen nutteloos aan, omdat ze veel parameters bevatten die moeilijk te vergelijken waren met experimenten met de technologie die toen bestond."

Wetenschappers wisten dat het omgekeerde Hall-effect het gevolg is van magnetische wervelingen die opduiken in het supergeleidende materiaal dat in het magnetische veld is geplaatst. Wervels zijn singulariteitspunten in de vloeistof van supergeleidende elektronen - Cooper-paren - waaromheen Cooper-paren stromen, het creëren van circulerende supergeleidende microstromen die nieuwe kenmerken in de fysica van het Hall-effect in het materiaal brengen.

Normaal gesproken, verdeling van elektronen in het materiaal veroorzaakt de Hall-spanning, maar in supergeleiders, wervels bewegen onder de aangelegde stroom, die elektronische drukverschillen creëert die wiskundig vergelijkbaar zijn met die welke een vliegtuig in vlucht houden. Deze drukverschillen veranderen de loop van de aangelegde stroom zoals de vleugels van een vliegtuig de loop van de passerende lucht veranderen, het vliegtuig optillen. De vortexbeweging herverdeelt elektronen anders, het veranderen van de richting van de Hall-spanning in het tegenovergestelde van de gebruikelijke puur elektronische Hall-spanning.

De theorie van 1996 beschreef kwantitatief de effecten van deze wervels, die alleen kwalitatief werd begrepen. Nutsvoorzieningen, met een nieuw materiaal dat wetenschappers van Harvard vijf jaar nodig hadden om te ontwikkelen, de theorie werd getest en bevestigd.

Het op bismut gebaseerde dunne materiaal is vrijwel slechts één atoomlaag dik, waardoor het in wezen tweedimensionaal wordt. Het is een van de enige in zijn soort, een dunne-film supergeleider voor hoge temperaturen; productie van het materiaal alleen al is een technologische doorbraak in de supergeleiderwetenschap.

"Door de afmetingen terug te brengen van drie naar twee, de fluctuaties van de eigenschappen in het materiaal worden veel duidelijker en gemakkelijker te bestuderen, " zei Philip Kim, een hoofdwetenschapper in de Harvard-groep. "We creëerden een extreme vorm van het materiaal waarmee we de theorie van 1996 kwantitatief konden aanpakken."

Een voorspelling van de theorie was dat het abnormale omgekeerde Hall-effect zou kunnen bestaan ​​buiten de temperaturen waarbij het materiaal een supergeleider is. Deze studie bood een kwantitatieve beschrijving van het effect die perfect paste bij de theoretische voorspellingen.

"Voordat we zeker waren van de rol die wervels spelen in het omgekeerde Hall-effect, we konden het niet betrouwbaar als meetinstrument gebruiken, zei Vinokur. Nu we weten dat we gelijk hadden, we kunnen de theorie gebruiken om andere fluctuaties in de overgangsfase te bestuderen, uiteindelijk leidend tot een beter begrip van supergeleiders."

Hoewel het materiaal in deze studie tweedimensionaal is, de wetenschappers geloven dat de theorie van toepassing is op alle supergeleiders. Toekomstig onderzoek zal een diepere studie van de materialen omvatten - het gedrag van de wervels heeft zelfs toepassing in wiskundig onderzoek.

Vortices zijn voorbeelden van topologische objecten, of objecten met unieke geometrische eigenschappen. Ze zijn momenteel een populair onderwerp in de wiskunde vanwege de manier waarop ze vormen en vervormen en hoe ze de eigenschappen van een materiaal veranderen. De theorieën van 1996 gebruikten topologie om het gedrag van de wervels te beschrijven, en topologische eigenschappen van materie kunnen veel nieuwe fysica bevatten.

"Soms ontdek je iets nieuws en exotisch, " zei Vinokur over het onderzoek, "maar soms bevestig je gewoon dat je dat doet, ten slotte, begrijp het gedrag van het alledaagse dat recht voor je neus staat."

Een paper waarin de resultaten van het onderzoek worden beschreven, getiteld "Teken omkerend Hall-effect in atomair dunne supergeleiders met hoge temperatuur, " werd gepubliceerd op 21 juni in Fysieke beoordelingsbrieven .