Forskare från Brown University har visat en ovanlig metod för att sätta bromsarna på supraledning, materialets förmåga att leda en elektrisk ström med noll motstånd.

Forskningen visar att svaga magnetfält - mycket svagare än de som normalt avbryter supraledning - kan interagera med defekter i ett material för att skapa ett "slumpmässigt mätfält, "ett slags kvanthinderbana som genererar motstånd för supraledande elektroner.

"Vi stör superledningen på ett sätt som människor inte har gjort tidigare, "sa Jim Valles, en professor i fysik vid Brown som regisserade verket. "Denna typ av fasövergång med ett slumpmässigt mätfält hade teoretiskt förutsetts, men det här är första gången det har visats i ett experiment. "

Forskningen publiceras i tidskriften Vetenskapliga rapporter .

Det supraledande tillståndet beror på bildandet och spridningen av "Cooper -par, "kopplade elektroner som, vid mycket låga temperaturer, beter sig mer som vågor än partiklar. Deras vågliknande egenskap gör det möjligt för dem att resa över materialets struktur utan att stöta på atomkärnor längs vägen, minska motståndet de möter till noll. Cooper -par är uppkallade efter Leon Cooper, en fysiker från Brown University som delade Nobelpriset i fysik 1972 för att förklara sitt beteende.

Bindningarna mellan parade elektroner är inte särskilt starka. En liten temperaturökning eller närvaron av ett magnetfält med en styrka över ett kritiskt värde (värdet varierar lite för olika material) kan bryta paren isär, som i sin tur bryter det supraledande tillståndet.

Men Valles och hans kollegor undersökte en annan metod för att förstöra supraledning. Istället för att bryta ihop Cooper -paren, Valles team ville se om de kunde störa hur paren sprider sig.

När ett material är superledande, Cooper -par förökar "i fas, "vilket innebär att topparna och dalarna i deras kvantvågor är korrelerade. Att slå vågorna ur fas skulle göra dem oförmögna att sprida sig på ett sätt som upprätthåller det superledande tillståndet, därigenom omvandlas materialet till en isolator.

För att demonstrera fenomenet, Valles och hans kollegor skapade små supraledande chips tillverkade av amorf vismut. Chipsen gjordes med nanoskala hål i dem, arrangerat i ett slumpmässigt upprepande bikakeliknande mönster. Teamet applicerade sedan ett svagt magnetfält på chipsen. Under normala omständigheter, en superledare kommer att avvisa alla magnetfält under ett kritiskt värde och fortsätta direkt på supraledning. Men defekterna i vismuten gjorde att materialet avstöt magnetfältet på ett märkligt sätt, bildar små virvlar av elektrisk ström som omger varje hål.

Till supraledande Cooper -par, dessa virvlar utgör en kvanthindringsbana som är för svår att passera. De nuvarande virvlarna trycker och drar på vågfronterna för att passera Cooper -par i slumpmässiga mönster, slog vågorna ur fas med varandra.

"Vi stör vågfronternas sammanhängande rörelse, "Valles sa." Som ett resultat blir Cooper -paren lokaliserade - oförmögna att sprida sig - och systemet går från supraledning till isolering. "

Forskningen kan hjälpa forskare att förstå de grundläggande egenskaperna hos supraledande material - i synnerhet hur defekter i dessa material kan avbryta supraledning i vissa situationer. Att förstå hur dessa material beter sig kommer att vara viktigt eftersom deras användning ökar i applikationer som kvantdatorer, som kommer att förlita sig på konsekventa superledande tillstånd.

"Inom teknik, vi försöker få ut mer och mer av materialens kvantegenskaper, men dessa material har alla dessa röriga föroreningar i sig, "Valles sa." Vi har visat effekterna av en viss typ av kvant slumpmässighet i en superledare som drivs av ett magnetfält och slumpmässiga defekter. Så det här arbetet kan vara intressant för att förstå vilka begränsningar det finns för att utnyttja materialets kvantegenskaper. "

Valles hoppas att resultaten och tekniken som beskrivs i tidningen kommer att leda till andra grundläggande framsteg.

"Vi kan ställa in denna fasväxlare på ett väldefinierat sätt som är enkelt att modellera, vilket gör att vi kan förstå kvantfasövergångar lite bättre, "Sa Valles." Så på ett sätt, Vi har skapat en ny knopp som vi kan vrida för att påverka egenskaperna hos dessa material och se hur de reagerar. "