Imagen topográfica de un nanocristal de plomo utilizado en el estudio. Barra de escala:10 nm. Crédito:Vlaic et al. Comunicaciones de la naturaleza
Por primera vez, Los físicos han validado experimentalmente una conjetura de 1959 que pone límites a lo pequeños que pueden ser los superconductores. Se espera que comprender la superconductividad (o la falta de ella) en la nanoescala sea importante para diseñar futuras computadoras cuánticas. entre otras aplicaciones.
En 1959, el físico P.W. Anderson conjeturó que la superconductividad solo puede existir en objetos que son lo suficientemente grandes para cumplir con ciertos criterios. A saber, La energía de la brecha superconductora del objeto debe ser mayor que su espacio de nivel de energía electrónica, y este espacio aumenta a medida que disminuye el tamaño. El punto de corte (donde los dos valores son iguales) corresponde a un volumen de aproximadamente 100 nm 3 . Hasta ahora no ha sido posible probar experimentalmente el límite de Anderson debido a los desafíos en la observación de efectos superconductores a esta escala.
En el nuevo estudio publicado en Comunicaciones de la naturaleza , Sergio Vlaic y los coautores de la Universidad Paris Sciences et Lettres y el Centro Nacional Francés de Investigaciones Científicas (CNRS) diseñaron un nanosistema que les permitió investigar experimentalmente el límite de Anderson por primera vez.
El límite de Anderson surge porque, a escalas muy pequeñas, los mecanismos subyacentes a la superconductividad esencialmente dejan de funcionar. En general, La superconductividad ocurre cuando los electrones se unen para formar pares de Cooper. Los pares de Cooper tienen una energía ligeramente menor que los electrones individuales, y esta diferencia de energía es la energía de la brecha superconductora. La menor energía de los pares de Cooper inhibe las colisiones de electrones que normalmente crean resistencia. Si la energía de la brecha superconductora se vuelve demasiado pequeña y desaparece, lo que puede ocurrir, por ejemplo, cuando la temperatura aumenta, entonces se reanudan las colisiones de electrones y el objeto deja de ser un superconductor.
El límite de Anderson muestra que el tamaño pequeño es otra forma en que un objeto puede dejar de ser un superconductor. Sin embargo, a diferencia de los efectos del aumento de la temperatura, esto no se debe a que los objetos más pequeños tengan una energía de brecha superconductora más pequeña. En lugar de, surge porque los cristales más pequeños tienen menos electrones, y por lo tanto menos niveles de energía de electrones, que los cristales más grandes. Dado que la energía electrónica total posible de un elemento permanece igual, independientemente del tamaño, Los cristales más pequeños tienen espacios más grandes entre sus niveles de energía de electrones que los cristales más grandes.
Según Anderson, este gran espaciado de niveles de energía electrónica debería plantear un problema, y esperaba que la superconductividad desapareciera cuando el espaciamiento se hiciera mayor que la energía de la brecha superconductora. La razón de esto generalmente hablando, es que una consecuencia del aumento del espaciamiento es una disminución de la energía potencial, que interfiere con la competencia entre la energía cinética y potencial que es necesaria para que ocurra la superconductividad.
Para investigar qué sucede con la superconductividad de los objetos alrededor del límite de Anderson, Los científicos del nuevo estudio prepararon grandes cantidades de nanocristales de plomo aislados con un volumen de entre 20 y 800 nm. 3 .
Aunque no pudieron medir directamente la superconductividad de objetos tan pequeños, los investigadores pudieron medir algo llamado efecto de paridad, que resulta de la superconductividad. Cuando se agrega un electrón a un superconductor, la energía adicional se ve afectada en parte por si hay un número par o impar de electrones (la paridad), lo cual se debe a que los electrones forman pares de Cooper. Si los electrones no forman pares de Cooper, no hay efecto de paridad, indicando que no hay superconductividad.
Aunque el efecto de paridad se ha observado anteriormente en grandes superconductores, este estudio es la primera vez que se ha observado en pequeños nanocristales que se acercan al límite de Anderson. De acuerdo con las predicciones de Anderson de hace más de 50 años, los investigadores observaron el efecto de paridad para nanocristales más grandes, pero no para los nanocristales más pequeños por debajo de aproximadamente 100 nm 3 .
Los resultados no solo validan la conjetura de Anderson, sino también extenderse a un área más general, los modelos de Richardson-Gaudin. Estos modelos son equivalentes a la teoría convencional de la superconductividad, la teoría de Bardeen Cooper Schrieffer, para objetos muy pequeños.
"Nuestra demostración experimental de la conjetura de Anderson es también una demostración de la validez de los modelos de Richardson-Gaudin, "El coautor Hervé Aubin de la Universidad Paris Sciences et Lettres y CNRS dijo Phys.org . "Los modelos de Richardson-Gaudin son una pieza importante de trabajos teóricos porque pueden resolverse exactamente y aplicarse a una amplia gama de sistemas; no solo a nanocristales superconductores sino también a núcleos atómicos y gas atómico fermiónico frío, donde protones y neutrones, que son fermiones como electrones, también pueden formar parejas de Cooper ".
En el lado más práctico, los investigadores esperan que los resultados tengan aplicaciones en futuras computadoras cuánticas.
"Una de las aplicaciones más interesantes de las islas superconductoras es su uso como cajas de pares de Cooper empleadas en bits cuánticos, la unidad elemental de una hipotética computadora cuántica, ", Dijo Aubin." Hasta ahora, Las cajas de pares de Cooper utilizadas en qubits son mucho más grandes que el límite de Anderson. Al reducir el tamaño de la caja de pares Cooper, Los ingenieros de computación cuántica eventualmente tendrán que hacer frente a la superconductividad en el límite de Anderson ".
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