Investigadores de la Universidad de Brown han demostrado un método inusual para frenar la superconductividad, la capacidad de un material para conducir una corriente eléctrica sin resistencia.

La investigación muestra que los campos magnéticos débiles, mucho más débiles que los que normalmente interrumpen la superconductividad, pueden interactuar con defectos en un material para crear un "campo de calibre aleatorio, "una especie de carrera de obstáculos cuántica que genera resistencia para los electrones superconductores.

"Estamos interrumpiendo la superconductividad de una manera que la gente no ha hecho antes, "dijo Jim Valles, profesor de física en Brown que dirigió el trabajo. "Este tipo de transición de fase que involucra un campo de calibre aleatorio se había predicho teóricamente, pero esta es la primera vez que se demuestra en un experimento ".

La investigación se publica en la revista Informes científicos .

El estado superconductor depende de la formación y propagación de "pares de Cooper, "electrones acoplados que, a muy bajas temperaturas, se comportan más como ondas que como partículas. Su propiedad ondulatoria les permite viajar a través de la estructura de un material sin chocar contra los núcleos atómicos a lo largo del camino, reduciendo la resistencia que encuentran a cero. Los pares de Cooper llevan el nombre de Leon Cooper, un físico de la Universidad de Brown que compartió el premio Nobel de física de 1972 por explicar su comportamiento.

Los enlaces entre electrones apareados no son particularmente fuertes. Un pequeño aumento de temperatura o la presencia de un campo magnético con una fuerza superior a un valor crítico (el valor varía un poco para diferentes materiales) puede romper los pares. que a su vez rompe el estado superconductor.

Pero Valles y sus colegas estaban investigando un método diferente para destruir la superconductividad. En lugar de separar las parejas de Cooper, El equipo de Valles quería ver si podían alterar la forma en que se propagan las parejas.

Cuando un material es superconductor, Los pares de Cooper se propagan "en fase, "lo que significa que los picos y valles de sus ondas cuánticas están correlacionados. Desfasar las ondas las haría incapaces de propagarse de una manera que mantendría el estado superconductor, convirtiendo así el material en un aislante.

Para demostrar el fenómeno, Valles y sus colegas crearon pequeños chips superconductores hechos de bismuto amorfo. Los chips se hicieron con agujeros a nanoescala, dispuestos en un patrón similar a un panal que se repite aleatoriamente. Luego, el equipo aplicó un campo magnético débil a los chips. Bajo circunstancias normales, un superconductor repelerá cualquier campo magnético por debajo de un valor crítico e irá directamente a superconductor. Pero los defectos en el bismuto hicieron que el material repele el campo magnético de una manera peculiar, formando pequeños vórtices de corriente eléctrica que rodean cada agujero.

A los pares de Cooper superconductores, esos vórtices forman una carrera de obstáculos cuántica demasiado difícil de cruzar. Los vórtices actuales empujan y tiran de los frentes de onda de los pares de Cooper que pasan en patrones aleatorios, golpeando las olas fuera de fase entre sí.

"Estamos interrumpiendo el movimiento coherente de los frentes de onda, ", Dijo Valles." Como resultado, los pares de Cooper se localizan, incapaces de propagarse, y el sistema pasa de superconductor a aislante ".

La investigación puede ayudar a los científicos a comprender las propiedades fundamentales de los materiales superconductores, en particular, cómo los defectos en esos materiales podrían interrumpir la superconductividad en ciertas situaciones. Comprender cómo se comportan estos materiales será importante a medida que aumente su uso en aplicaciones como computadoras cuánticas, que dependerá de estados superconductores consistentes.

"En tecnología, estamos tratando de sacar más y más provecho de las propiedades cuánticas de los materiales, pero todos esos materiales tienen estas sucias impurezas en ellos, ", Dijo Valles." Hemos mostrado los efectos de cierto tipo de aleatoriedad cuántica en un superconductor que es impulsado por un campo magnético y defectos aleatorios. Así que este trabajo puede ser interesante para comprender las limitaciones que existen en la explotación de las propiedades cuánticas de los materiales ".

Valles tiene la esperanza de que los hallazgos y la técnica descritos en el documento conduzcan a otros avances fundamentales.

"Podemos ajustar este cambiador de fase de una manera bien definida que sea sencilla de modelar, que puede permitirnos comprender un poco mejor las transiciones de fase cuántica, ", Dijo Valles." Así que, en cierto sentido, hemos creado una nueva perilla que podemos girar para afectar las propiedades de estos materiales y ver cómo reaccionan ".