I superconduttori sono in grado di condurre elettricità con resistenza zero grazie alle coppie Cooper, duetti di elettroni che si alleano e pattinano attraverso un materiale senza impedimenti. Nel 2007, I ricercatori della Brown University hanno fatto la sorprendente scoperta che le coppie Cooper possono esistere anche nei materiali isolanti, contribuendo a bloccare il flusso di corrente piuttosto che abilitarlo. Ora quello stesso gruppo di laboratorio ha rivelato le forze coinvolte in questi "isolatori a coppia Cooper".

In un articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , i ricercatori mostrano che nella fase isolante, Le coppie di Cooper sono tenute sotto controllo dalle interazioni repulsive tra le coppie stesse, non da alcun disordine nel reticolo atomico del materiale. Questa intuizione potrebbe essere importante nella progettazione di materiali o dispositivi che sfruttano la transizione superconduttore-isolante:un interruttore superconduttore, Per esempio.

"Essenziale per l'elettronica è manipolare il flusso degli elettroni, quindi trovare nuovi modi in cui gli elettroni fluiscono porta a nuovi metodi di manipolazione per l'implementazione in nuovi dispositivi, " ha detto Jim Valles, un professore di fisica alla Brown e autore senior della carta. "Questo lavoro ci fornisce nuove informazioni sulla propagazione della coppia Cooper, che potrebbe essere utile per manipolarli in nuovi dispositivi."

Nel loro articolo del 2007, Valles e i suoi colleghi hanno eseguito esperimenti su film sottili di bismuto amorfo. Blocchi spessi di bismuto amorfo fungono da superconduttori, ma quando viene ridotto a fette spesse solo pochi atomi, il materiale diventa un isolante.

La ricerca iniziale di Valles e dei suoi colleghi ha mostrato che le coppie Cooper (che prendono il nome dal fisico Brown Leon Cooper, che ha vinto un premio Nobel per aver descritto le loro dinamiche) erano presenti in questi film. Ma invece di muoversi liberamente come fanno nello stato superconduttore, le coppie Cooper nei film sono rimaste abbandonate su minuscole isole all'interno del materiale, incapace di saltare alla prossima isola. non era chiaro, però, quali forze tenevano in posizione le coppie. Questo è ciò che Valles ei suoi colleghi speravano di trovare con questo nuovo studio.

Una possibilità per ciò che tiene in posizione le coppie Cooper è la loro carica. Ogni coppia ha una forte carica negativa, e le particelle con la stessa carica si respingono. Potrebbe essere che una coppia di Cooper abbia difficoltà a saltare sull'isola successiva perché quell'isola è già occupata da un'altra coppia di Cooper che sta respingendo. Questo crea un ingorgo dovuto alla carica che impedisce alla corrente di muoversi attraverso il materiale.

Valles e i suoi colleghi miravano a testare quello scenario. Per lo studio, hanno spruzzato atomi di gadolinio nella struttura atomica dei loro isolanti di bismuto. Il gadolinio è magnetico, e il magnetismo indebolisce l'accoppiamento delle coppie di Cooper, causandone potenzialmente la rottura in singoli elettroni. Se alcune coppie di Cooper si separassero anche solo per un istante, potrebbe liberare spazio sull'isola e dare alle coppie intatte spazio per saltare. Quindi se più coppie iniziano a saltare man mano che viene aggiunto più gadolinio, sarebbe un chiaro segnale che la resistenza in questi materiali è guidata da questo ingorgo legato alla carica. Ed è esattamente ciò che hanno mostrato gli esperimenti.

"È questa combinazione di quelle piccole isole nei film e le barriere tra quelle isole create dall'interazione ripugnante delle coppie Cooper che dà origine a questa resistenza, " ha detto Valles.

Questa è la prima volta che qualcuno è stato in grado di escludere altri fattori che potrebbero contribuire alla resistenza. Un'altra possibilità era un fenomeno noto come localizzazione di Anderson, che ha a che fare con il disordine nella struttura di un materiale. Gli effetti di Anderson possono essere importanti a temperature prossime allo zero assoluto, dove contribuiscono a uno stato ancora più esotico noto come superisolamento, in cui la resistenza diventa infinita. Ma a temperature relativamente più alte, questo studio mostra che è la carica che è importante. E questo potrebbe avere implicazioni per la progettazione di nuovi dispositivi elettronici, forse interruttori superconduttori per porte logiche.

"È possibile ottenere un interruttore a bassa temperatura da questo, " ha detto Valles. "O se potessimo ottenere questo comportamento da un superconduttore ad alta temperatura, potremmo ottenere una versione a temperatura più alta, che potrebbe avere un uso ancora più pratico."