Kvanteforhindringsbane ændrer materiale fra superleder til isolator

Forskere fra Brown University har demonstreret en usædvanlig metode til at sætte bremserne på superledning, et materiales evne til at lede en elektrisk strøm med nul modstand.

Forskningen viser, at svage magnetiske felter - langt svagere end dem, der normalt afbryder superledning - kan interagere med defekter i et materiale for at skabe et "tilfældigt målefelt, "en slags kvanteforhindringsbane, der genererer modstand for superledende elektroner.

"Vi forstyrrer superledning på en måde, som folk ikke har gjort før, " sagde Jim Valles, en professor i fysik ved Brown, der ledede arbejdet. "Denne form for faseovergang, der involverer et tilfældigt målefelt, var blevet forudsagt teoretisk, men det er første gang, det er blevet demonstreret i et eksperiment."

Forskningen er publiceret i tidsskriftet Videnskabelige rapporter .

Den superledende tilstand afhænger af dannelsen og udbredelsen af ​​"Cooper-par, "koblede elektroner, ved meget lave temperaturer, opfører sig mere som bølger end partikler. Deres bølgelignende egenskab gør det muligt for dem at rejse på tværs af strukturen af ​​et materiale uden at slå ind i atomkerner undervejs, reducere den modstand, de møder, til nul. Cooper-par er opkaldt efter Leon Cooper, en Brown University fysiker, der delte 1972 Nobelprisen i fysik for at forklare deres adfærd.

Bindingerne mellem parrede elektroner er ikke særlig stærke. En lille stigning i temperaturen eller tilstedeværelsen af ​​et magnetfelt med en styrke over en kritisk værdi (værdien varierer en smule for forskellige materialer) kan bryde parrene fra hinanden, som igen bryder den superledende tilstand.

Men Valles og hans kolleger undersøgte en anden metode til at ødelægge superledning. I stedet for at bryde Cooper-parrene fra hinanden, Valles team ville se, om de kunne forstyrre den måde, som parrene forplanter sig på.

Når et materiale er superledende, Cooper-par forplanter sig "i fase, "hvilket betyder, at toppene og dalene af deres kvantebølger er korrelerede. At slå bølgerne ud af fase ville gøre dem ude af stand til at forplante sig på en måde, der ville opretholde den superledende tilstand, derved omdannes materialet til en isolator.

For at demonstrere fænomenet, Valles og hans kolleger skabte små superledende chips lavet af amorf vismut. Chipsene blev lavet med huller i nanoskala, arrangeret i et tilfældigt gentagende honeycomb-lignende mønster. Holdet anvendte derefter et svagt magnetfelt på chipsene. Under normale omstændigheder, en superleder vil afvise ethvert magnetfelt under en kritisk værdi og fortsætte med at superledende. Men defekterne i bismuten fik materialet til at frastøde magnetfeltet på en ejendommelig måde, danner små hvirvler af elektrisk strøm omkring hvert hul.

Til superledende Cooper-par, disse hvirvler danner en kvanteforhindringsbane, der er for svær at krydse. De nuværende hvirvler skubber og trækker på bølgefronterne af forbipasserende Cooper-par i tilfældige mønstre, slå bølgerne ud af fase med hinanden.

"Vi forstyrrer den sammenhængende bevægelse af bølgefronterne, " sagde Valles. "Som et resultat bliver Cooper-parrene lokaliserede - ude af stand til at forplante sig - og systemet går fra superledende til isolerende."

Forskningen kan hjælpe forskere med at forstå de grundlæggende egenskaber ved superledende materialer - især, hvordan defekter i disse materialer kunne afbryde superledning i visse situationer. Det vil være vigtigt at forstå, hvordan disse materialer opfører sig, efterhånden som deres brug øges i applikationer som kvantecomputere, som vil stole på konsekvente superledende stater.

"I teknologien, vi forsøger at få mere og mere ud af materialernes kvanteegenskaber, men de materialer har alle disse rodede urenheder i sig, " sagde Valles. "Vi har vist virkningerne af en vis form for kvantetilfældighed i en superleder, der drives af et magnetfelt og tilfældige defekter. Så dette arbejde kan være interessant for at forstå, hvilke begrænsninger der er i at udnytte materialers kvanteegenskaber."

Valles håber på, at resultaterne og teknikken beskrevet i papiret vil føre til andre grundlæggende fremskridt.

"Vi kan tune denne faseskifter på en veldefineret måde, der er ligetil at modellere, som kan give os mulighed for at forstå kvantefaseovergange lidt bedre, " sagde Valles. "Så på en måde, vi har skabt en ny knap, vi kan dreje for at påvirke disse materialers egenskaber og se, hvordan de reagerer."