Fasövergångar uppstår när ett ämne förändras från ett fast ämne, flytande eller gasformigt tillstånd till ett annat tillstånd—som issmältning eller ångkondensering. Under dessa fasövergångar, det finns en punkt där systemet kan visa egenskaper för båda materiatillstånden samtidigt. En liknande effekt uppstår när normala metaller övergår till supraledare – egenskaper fluktuerar och egenskaper som förväntas tillhöra ett tillstånd överförs till det andra.

Forskare vid Harvard har utvecklat en vismutbaserad, tvådimensionell supraledare som bara är en nanometer tjock. Genom att studera fluktuationer i detta ultratunna material när det övergår till supraledning, forskarna fick insikt i de processer som driver supraledning mer generellt. Eftersom de kan bära elektriska strömmar med nästan noll motstånd, när de förbättras, supraledande material kommer att ha tillämpningar i praktiskt taget vilken teknik som helst som använder elektricitet.

Harvard-forskarna använde den nya tekniken för att experimentellt bekräfta en 23-årig teori om supraledare som utvecklats av forskaren Valerii Vinokur från det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory.

Ett fenomen av intresse för forskare är den fullständiga omkastningen av den välstuderade Hall-effekten när material övergår till supraledare. När en normal, icke-supraledande material bär en pålagd ström och utsätts för ett magnetfält, en spänning induceras över materialet. Denna normala Hall-effekt har spänningen som pekar i en specifik riktning beroende på fältets orientering och ström.

Intressant, när material blir supraledare, tecknet på Hall-spänningen vänder. Den "positiva" änden av materialet blir den "negativa". Detta är ett välkänt fenomen. Men medan Hall-effekten länge har varit ett viktigt verktyg som forskare använder för att studera de typer av elektroniska egenskaper som gör ett material till en bra supraledare, orsaken till denna omvända Hall-effekt har förblivit mystisk för forskare i årtionden, speciellt när det gäller högtemperatursupraledare för vilka effekten är starkare.

1996, teoretiker Vinokur, en Argonne Distinguished Fellow, och hans kollegor presenterade en omfattande beskrivning av denna effekt (och mer) i högtemperatursupraledare. Teorin tog hänsyn till alla inblandade drivkrafter, och det inkluderade så många variabler att det verkade orealistiskt att testa det experimentellt – fram till nu.

"Vi trodde att vi verkligen hade löst de här problemen, sa Vinokur, "men formlerna kändes värdelösa vid den tiden, eftersom de inkluderade många parametrar som var svåra att jämföra med experiment med den teknik som fanns då."

Forskare visste att den omvända Hall-effekten härrör från magnetiska virvlar som dyker upp i det supraledande materialet placerat i magnetfältet. Virvlar är singularitetspunkter i vätskan av supraledande elektroner - Cooper-par - runt vilka Cooper-par strömmar, skapa cirkulerande supraledande mikroströmmar som ger nya egenskaper i Hall-effektens fysik i materialet.

I vanliga fall, fördelning av elektroner i materialet orsakar Hall-spänningen, men i supraledare, virvlar rör sig under den pålagda strömmen, vilket skapar elektroniska tryckskillnader som matematiskt liknar de som håller ett flygplan i flygning. Dessa tryckskillnader ändrar kursen för den applicerade strömmen som vingarna på ett flygplan ändrar kursen för luften som passerar, lyfta planet. Virvelrörelsen omfördelar elektroner annorlunda, ändra riktningen på Hall-spänningen till motsatsen till den vanliga rent elektroniska Hall-spänningen.

Teorin från 1996 beskrev kvantitativt effekterna av dessa virvlar, som endast hade förståtts kvalitativt. Nu, med ett nytt material som tog Harvards forskare fem år att utveckla, teorin testades och bekräftades.

Det vismutbaserade tunna materialet är praktiskt taget bara ett atomlager tjockt, gör den i huvudsak tvådimensionell. Det är en av de enda i sitt slag, en tunnfilm högtemperatursupraledare; Enbart produktion av materialet är ett tekniskt genombrott inom supraledarvetenskapen.

"Genom att minska dimensionerna från tre till två, fluktuationerna av egenskaperna i materialet blir mycket mer påtagliga och lättare att studera, sa Philip Kim, en ledande forskare i Harvard-gruppen. "Vi skapade en extrem form av materialet som gjorde det möjligt för oss att kvantitativt ta itu med 1996 års teori."

En förutsägelse av teorin var att den anomala omvända Hall-effekten kunde existera utanför de temperaturer vid vilka materialet är en supraledare. Denna studie erbjöd en kvantitativ beskrivning av effekten som perfekt matchade de teoretiska förutsägelserna.

"Innan vi var säkra på vilken roll virvlar spelar i den omvända Hall-effekten, vi kunde inte använda det tillförlitligt som ett mätverktyg, " sade Vinokur. "Nu när vi vet att vi hade rätt, vi kan använda teorin för att studera andra fluktuationer i övergångsfasen, leder i slutändan till bättre förståelse för supraledare."

Även om materialet i denna studie är tvådimensionellt, forskarna tror att teorin gäller alla supraledare. Framtida forskning kommer att omfatta djupare studier av materialen – virvlarnas beteende har till och med tillämpning i matematisk forskning.

Virvlar är exempel på topologiska objekt, eller föremål med unika geometriska egenskaper. De är för närvarande ett populärt ämne inom matematik på grund av hur de formas och deformeras och hur de förändrar egenskaperna hos ett material. Teorierna från 1996 använde topologi för att beskriva virvlarnas beteende, och materiens topologiska egenskaper skulle kunna bära en hel del ny fysik.

"Ibland upptäcker man något nytt och exotiskt, " sa Vinokur om forskningen, "men ibland bekräftar du bara att du gör det, trots allt, förstå beteendet hos det vardagliga som är mitt framför dig."

En artikel som beskriver resultaten av studien, med titeln "Sign reversing Hall-effekt i atomärt tunna högtemperatursupraledare, " publicerades den 21 juni i Fysiska granskningsbrev .