Hvor små kan superledere være?

For første gang, fysikere har eksperimentelt valideret en formodning fra 1959, der sætter grænser for, hvor små superledere kan være. Forståelse af superledelse (eller mangel på det) på nanoskalaen forventes at være vigtig for at designe fremtidige kvantecomputere, blandt andre applikationer.

I 1959, fysiker P.W. Anderson formodede, at superledning kun kan eksistere i objekter, der er store nok til at opfylde visse kriterier. Nemlig, objektets superledende mellemrumsenergi skal være større end dets elektroniske energiniveauafstand - og denne afstand øges, når størrelsen falder. Afskæringspunktet (hvor de to værdier er ens) svarer til et volumen på ca. 100 nm ³ . Indtil nu har det ikke været muligt eksperimentelt at teste Anderson-grænsen på grund af udfordringerne med at observere superledende effekter på denne skala.

I den nye undersøgelse offentliggjort i Naturkommunikation , Sergio Vlaic og medforfattere ved University Paris Sciences et Lettres og French National Center for Scientific Research (CNRS) designede et nanosystem, der tillod dem at eksperimentelt undersøge Anderson -grænsen for første gang.

Anderson -grænsen opstår, fordi, i meget små skalaer, de mekanismer, der ligger til grund for superledelse, stopper i det væsentlige med at fungere. Generelt, superledningsevne opstår, når elektroner bindes sammen for at danne Cooper -par. Cooper -par har en lidt lavere energi end individuelle elektroner, og denne forskel i energi er den superledende mellemrumsenergi. Cooper -parrenes lavere energi hæmmer elektronkollisioner, der normalt skaber modstand. Hvis den superledende mellemrumsenergi bliver for lille og forsvinder - hvilket kan forekomme, for eksempel, når temperaturen stiger - så genoptages elektronkollisionerne, og objektet holder op med at være en superleder.

Anderson -grænsen viser, at lille størrelse er en anden måde, hvorpå et objekt kan stoppe med at være en superleder. Imidlertid, i modsætning til virkningerne af at øge temperaturen, dette er ikke fordi mindre genstande har en mindre superledende mellemrumsenergi. I stedet, det opstår, fordi mindre krystaller har færre elektroner, og derfor færre elektronenerginiveauer, end større krystaller gør. Da den samlede mulige elektronenergi af et element forbliver den samme, uanset størrelse, mindre krystaller har større mellemrum mellem deres elektronenerginiveauer end større krystaller gør.

Ifølge Anderson, denne store elektroniske energiniveauafstand bør udgøre et problem, og han forventede, at superledningen forsvandt, når afstanden blev større end den superledende mellemrumsenergi. Årsagen til dette, Generelt sagt, er, at en konsekvens af øget afstand er et fald i potentiel energi, som forstyrrer konkurrencen mellem kinetisk og potentiel energi, der er nødvendig for at superledelse skal forekomme.

For at undersøge, hvad der sker med objekternes superledning omkring Anderson -grænsen, forskerne i den nye undersøgelse forberedte store mængder isolerede bly -nanokrystaller i volumen fra 20 til 800 nm ³ .

Selvom de ikke direkte kunne måle superledningen af ​​sådanne små objekter, forskerne kunne måle noget, der kaldes paritetseffekten, som skyldes superledning. Når en elektron føjes til en superleder, den ekstra energi påvirkes delvist af, om der er et lige eller ulige antal elektroner (pariteten), hvilket skyldes, at elektronerne danner Cooper-par. Hvis elektronerne ikke danner Cooper -par, der er ingen paritetseffekt, angiver ingen superledning.

Selvom paritetseffekten tidligere er blevet observeret i store superledere, denne undersøgelse er første gang, at den er blevet observeret hos små nanokrystaller, der nærmer sig Anderson -grænsen. I overensstemmelse med Andersons forudsigelser fra mere end 50 år siden, forskerne observerede paritetseffekten for større nanokrystaller, men ikke for de mindste nanokrystaller under cirka 100 nm ³ .

Resultaterne validerer ikke kun Anderson -formodningen, men også strække sig til et mere generelt område, Richardson-Gaudin-modellerne. Disse modeller svarer til den konventionelle teori om superledning, Bardeen Cooper Schrieffer-teorien, til meget små genstande.

"Vores eksperimentelle demonstration af Anderson-formodningen er også en demonstration af gyldigheden af ​​Richardson-Gaudin-modellerne, "fortalte medforfatter Hervé Aubin ved University Paris Sciences et Lettres og CNRS Phys.org . "Richardson-Gaudin-modellerne er et vigtigt stykke teoretiske værker, fordi de kan løses nøjagtigt og gælder for en lang række systemer; ikke kun for superledende nanokrystaller, men også for atomkerner og kolde fermioniske atomgasser, hvor protoner og neutroner, som er fermioner som elektroner, kan også danne Cooper -par. "

På den mere praktiske side, forskerne forventer, at resultaterne vil have applikationer i fremtidige kvantecomputere.

"En af de mest interessante anvendelser af superledende øer er deres anvendelse som Cooper -parbokse, der anvendes i kvantebits, elementenheden i en hypotetisk kvantecomputer, "Sagde Aubin." Indtil videre, Cooper -par -kasser, der bruges i qubits, er meget større end Anderson -grænsen. Ved reducering af størrelsen på Cooper -parboksen, kvantecomputere vil i sidste ende skulle klare superledelse ved Anderson -grænsen. "

© 2017 Phys.org