Los superconductores pueden conducir electricidad con resistencia cero gracias a los pares de Cooper, dúos de electrones que se unen y patinan a través de un material sin obstáculos. En 2007, Los investigadores de la Universidad de Brown hicieron el sorprendente descubrimiento de que los pares de Cooper también pueden existir en materiales aislantes, ayudando a bloquear el flujo de corriente en lugar de habilitarlo. Ahora, ese mismo grupo de laboratorio ha revelado las fuerzas involucradas en estos "aisladores de pares de Cooper".

En un artículo publicado en Cartas de revisión física , los investigadores muestran que en la fase de aislamiento, Los pares de Cooper se mantienen bajo control por las interacciones repulsivas entre los propios pares, no por ningún desorden en la red atómica del material. Esa información podría ser importante en el diseño de materiales o dispositivos que aprovechan la transición superconductora-aislante:un interruptor superconductor, por ejemplo.

"Es esencial para la electrónica manipular cómo fluyen los electrones, por lo que encontrar nuevas formas en las que los electrones fluyen conduce a nuevos métodos de manipulación para su implementación en dispositivos novedosos, "dijo Jim Valles, profesor de física en Brown y autor principal del artículo. "Este trabajo nos brinda nueva información sobre la propagación de pares de Cooper, lo que podría ser útil para manipularlos en nuevos dispositivos ".

En su artículo de 2007, Valles y sus colegas realizaron experimentos en películas delgadas hechas de bismuto amorfo. Los bloques gruesos de bismuto amorfo actúan como superconductores, pero cuando se corta en rodajas con solo unos pocos átomos de espesor, el material se convierte en aislante.

La investigación inicial de Valles y sus colegas mostró que los pares de Cooper (que llevan el nombre del físico de Brown Leon Cooper, que ganó un premio Nobel por describir su dinámica) estuvieron presentes en estas películas. Pero en lugar de moverse libremente como lo hacen en el estado superconductor, los pares de Cooper en las películas quedaron abandonados en pequeñas islas dentro del material, incapaz de saltar a la siguiente isla. No estaba claro sin embargo, qué fuerzas mantenían a los pares en su lugar. Eso es lo que Valles y sus colegas esperaban encontrar con este nuevo estudio.

Una posibilidad de lo que mantiene a los pares de Cooper en su lugar es su carga. Cada par tiene una fuerte carga negativa, y las partículas con la misma carga se repelen entre sí. Podría ser que un par de Cooper tenga dificultades para saltar a la siguiente isla porque esa isla ya está ocupada por otro par de Cooper que está retrocediendo. Esto crea un atasco de tráfico relacionado con la carga que evita que una corriente se mueva a través del material.

Valles y sus colegas intentaron probar ese escenario. Para el estudio, rociaron átomos de gadolinio en la estructura atómica de sus aislantes de bismuto. El gadolinio es magnético, y el magnetismo debilita el acoplamiento de pares de Cooper, lo que potencialmente hace que se rompan en electrones individuales. Si algunos pares de Cooper se separaran incluso por un instante, podría liberar algo de espacio en la isla y dar a las parejas intactas espacio para saltar. Entonces, si más pares comienzan a saltar a medida que se agrega más gadolinio, Sería una señal clara de que la resistencia en estos materiales es impulsada por este atasco de tráfico relacionado con las cargas. Y eso es exactamente lo que mostraron los experimentos.

“Es esta combinación de esas pequeñas islas en las películas y las barreras entre esas islas creadas por la interacción repulsiva de los pares de Cooper lo que da lugar a esta resistencia, "Dijo Valles.

Esta es la primera vez que alguien ha podido descartar otros factores que pueden contribuir a la resistencia. Otra posibilidad era un fenómeno conocido como localización de Anderson, que tiene que ver con el desorden en la estructura de un material. Los efectos de Anderson pueden ser importantes a temperaturas cercanas al cero absoluto, donde contribuyen a un estado aún más exótico conocido como superaislamiento, en el que la resistencia se vuelve infinita. Pero a temperaturas relativamente más altas, este estudio muestra que lo importante es la carga. Y eso podría tener implicaciones para el diseño de nuevos dispositivos electrónicos, quizás interruptores superconductores para puertas lógicas.

"Es posible que podamos sacar un interruptor de baja temperatura de esto, ", Dijo Valles." O si pudiéramos obtener este comportamiento de un superconductor de alta temperatura, podríamos obtener una versión para temperaturas más altas, que podría tener un uso aún más práctico ".