Frastødning af afgifter forhindrer Cooper -par i at ø -hoppe i isolerende tilstand

Superledere er i stand til at lede elektricitet med nul modstand takket være Cooper -par, elektronduoer, der går sammen og skater gennem et materiale uhindret. I 2007, Brown University -forskere fandt den overraskende opdagelse, at Cooper -par også kan eksistere i isolerende materialer, hjælper med at blokere strømmen af ​​strøm frem for at muliggøre det. Nu har den samme laboratoriegruppe afsløret de kræfter, der er involveret i disse "Cooper -parisolatorer".

I et papir udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , forskerne viser, at i isoleringsfasen, Cooper -par holdes i skak af de frastødende interaktioner mellem parrene selv, ikke ved nogen forstyrrelse i materialets atomgitter. Denne indsigt kan være vigtig ved design af materialer eller enheder, der drager fordel af den superledende-isolerende overgang-en superledende switch, for eksempel.

"Vigtigt for elektronik er at manipulere, hvordan elektroner flyder, så at finde nye måder, hvorpå elektroner strømmer, fører til nye manipulationsmetoder til implementering i nye enheder, "sagde Jim Valles, en professor i fysik ved Brown og seniorforfatter på papiret. "Dette arbejde giver os nye oplysninger om formering af Cooper -par, hvilket kunne være nyttigt til at manipulere dem med nye enheder. "

I deres papir fra 2007 Valles og hans kolleger udførte eksperimenter på tynde film fremstillet af amorf vismut. Tykke blokke af amorf vismut fungerer som superledere, men når de er skåret ned i skiver, der kun er et par atomer tykke, materialet bliver en isolator.

Den indledende forskning af Valles og hans kolleger viste, at Cooper -par (som er opkaldt efter Brown -fysikeren Leon Cooper, der vandt en nobelpris for at beskrive deres dynamik) var til stede i disse film. Men i stedet for at bevæge sig frit, som de gør i den superledende tilstand, Cooper -parene i filmene blev marooned på små øer i materialet, ude af stand til at hoppe til den næste ø. Det var ikke klart, imidlertid, hvilke kræfter holdt parrene på plads. Det var, hvad Valles og hans kolleger håbede at finde med denne nye undersøgelse.

En mulighed for, hvad der holder Cooper -parene på plads, er deres afgift. Hvert par har en stærk negativ ladning, og partikler med den samme ladning frastøder hinanden. Det kan være, at et Cooper -par har svært ved at hoppe til den næste ø, fordi den ø allerede er besat af et andet Cooper -par, der skubber tilbage. Dette skaber en ladningsrelateret trafikprop, der forhindrer en strøm i at bevæge sig henover materialet.

Valles og hans kolleger havde til formål at teste dette scenario. Til undersøgelsen, de dryssede gadoliniumatomer ind i atomstrukturen af ​​deres vismutisolatorer. Gadolinium er magnetisk, og magnetisme svækker Cooper -parkoblingen - hvilket muligvis får dem til at bryde sammen til individuelle elektroner. Hvis et par Cooper -par brød fra hinanden selv et øjeblik, det kunne frigøre noget øplads og give intakte par plads til at hoppe. Så hvis flere par begynder at hoppe, da der tilføjes mere gadolinium, det ville være et klart signal om, at modstand i dette materiale er drevet af denne ladningsrelaterede trafikprop. Og det var præcis, hvad eksperimenterne viste.

"Det er denne kombination af de små øer i filmene og barriererne mellem disse øer skabt af det frastødende samspil mellem Cooper -parene, der giver anledning til denne modstand, "Sagde Valles.

Det er første gang, nogen har været i stand til at udelukke andre faktorer, der kan bidrage til modstand. En anden mulighed var et fænomen kendt som Anderson -lokalisering, som har at gøre med uorden i et materiales struktur. Anderson -effekter kan være vigtige ved temperaturer nær absolut nul, hvor de bidrager til en endnu mere eksotisk tilstand kendt som superisolering, hvor modstanden bliver uendelig. Men ved relativt højere temperaturer, denne undersøgelse viser, at det er afgift, der er vigtig. Og det kan have konsekvenser for designet af nye elektroniske enheder - måske superledende switches til logiske porte.

"Det er muligt, at vi kunne få en lavtemperaturafbryder ud af dette, "Sagde Valles." Eller hvis vi kunne få denne adfærd ud af en høj temperatur superleder, vi får muligvis en version med højere temperatur, som måske har endnu mere praktisk anvendelse. "