Supraledare kan leda elektricitet med noll motstånd tack vare Cooper-par, elektronduos som slår sig samman och åker genom ett material obehindrat. Under 2007, Brown University-forskare gjorde den överraskande upptäckten att Cooper-par också kan existera i isoleringsmaterial, hjälper till att blockera strömflödet snarare än att möjliggöra det. Nu har samma labbgrupp avslöjat krafterna som är involverade i dessa "Cooper-parisolatorer."

I en tidning publicerad i Fysiska granskningsbrev , forskarna visar att i isoleringsfasen, Cooper-par hålls i schack av de frånstötande interaktionerna mellan paren själva, inte av någon oordning i materialets atomgitter. Den insikten kan vara viktig för att designa material eller enheter som drar fördel av den supraledande-isolerande övergången - en supraledande switch, till exempel.

"Det väsentliga för elektronik är att manipulera hur elektroner flödar, så att hitta nya sätt på vilka elektroner flödar leder till nya manipulationsmetoder för implementering i nya enheter, sa Jim Valles, en professor i fysik vid Brown och senior författare på tidningen. "Detta arbete ger oss ny information om Cooper-parets utbredning, som kan vara till hjälp för att manipulera dem i nya enheter."

I deras uppsats från 2007, Valles och hans kollegor utförde experiment på tunna filmer gjorda av amorf vismut. Tjocka block av amorf vismut fungerar som supraledare, men när de skärs ner i skivor som bara är några atomer tjocka, materialet blir en isolator.

Den första forskningen av Valles och hans kollegor visade att Cooper-par (som är uppkallade efter Brown fysiker Leon Cooper, som vann ett Nobelpris för att beskriva sin dynamik) var närvarande i dessa filmer. Men istället för att röra sig fritt som de gör i supraledande tillstånd, Cooper-paren i filmerna hamnade på små öar i materialet, oförmögen att hoppa till nästa ö. Det var inte klart, dock, vilka krafter som höll paren på plats. Det var vad Valles och hans kollegor hoppades hitta med den här nya studien.

En möjlighet för vad som håller Cooper-paren på plats är deras laddning. Varje par har en stark negativ laddning, och partiklar med samma laddning stöter bort varandra. Det kan vara så att ett Cooper-par har svårt att hoppa till nästa ö eftersom den ön redan är ockuperad av ett annat Cooper-par som tränger sig tillbaka. Detta skapar en laddningsrelaterad trafikstockning som förhindrar en ström från att röra sig över materialet.

Valles och hans kollegor hade som mål att testa det scenariot. För studien, de strödde gadoliniumatomer i atomstrukturen på sina vismutisolatorer. Gadolinium är magnetiskt, och magnetism försvagar Cooper-parkopplingen – vilket potentiellt kan få dem att bryta isär till individuella elektroner. Om några Cooper-par gick sönder ens för ett ögonblick, det kan frigöra lite ö-utrymme och ge intakta par utrymme att hoppa. Så om fler par börjar hoppa när mer gadolinium tillsätts, det skulle vara en tydlig signal att motståndet i dessa material drivs av denna avgiftsrelaterade trafikstockning. Och det var precis vad experimenten visade.

"Det är denna kombination av de små öarna i filmerna och barriärerna mellan dessa öar som skapats av Cooper-parens frånstötande samspel som ger upphov till detta motstånd, sa Valles.

Det är första gången någon har kunnat utesluta andra faktorer som kan bidra till resistens. En annan möjlighet var ett fenomen som kallas Anderson-lokalisering, som har att göra med oordning i ett materials struktur. Anderson-effekter kan vara viktiga vid temperaturer nära absolut noll, där de bidrar till ett ännu mer exotiskt tillstånd som kallas superisolering, där motståndet blir oändligt. Men vid relativt högre temperaturer, den här studien visar att det är laddningen som är viktig. Och det kan få konsekvenser för utformningen av nya elektroniska enheter – kanske supraledande omkopplare för logiska grindar.

"Det är möjligt att vi kan få en lågtemperaturbrytare ur det här, " Sa Valles. "Eller om vi kunde få det här beteendet ur en högtemperatursupraledare, vi kanske får en version med högre temperatur, som kan ha ännu mer praktisk användning."