Metallijohde Cooperin pareilla

Pienet reiät, jotka rei'itettiin korkean lämpötilan suprajohtavaan materiaaliin, paljastivat, että Cooperin parit, jotka mahdollistavat suprajohtavuuden, voivat johtaa myös sähköä samalla tavalla kuin metallit.

Cooperin parit ovat elektronimuodostelma, jotka antavat suprajohteille kyvyn johtaa sähköä ilman vastustusta.

Vuonna 2007 Jim Valles yhdessä professori Jimmy Xun kanssa osoitti, että Cooperin parit voivat tuottaa myös eristäviä tiloja. Hyvin ohuissa materiaaleissa ne yhdessä liikkumisen sijaan parit pyrkivät jumittumaan pieniksi saarekkeiksi eivätkä pysty enää etenemään.

Mutta nyt Brownin yliopiston vetämä tutkijaryhmä on osoittanut, että Cooperin parit voivat johtaa myös sähköä jonkin verran resistanssia omaten eli kuten tavalliset metallit.

Tutkijoiden mukaan tulokset kuvaavat täysin uutta aineen tilaa, joka vaatii uuden teoreettisen selityksen. He kehittivät erityisen tekniikan, jonka avulla saattoi testata tämän aiemmin oletetun tilan ja pystyivät sen nyt myös osoittamaan.

Cooperin parit ovat vastuussa varauksen kuljettamisesta tässä metallisessa tilassa. Mielenkiintoista on, että kukaan ei ole perustasolla täysin varma kuinka ne sen tekevät, joten tämä löytö vaatii lisää teoreettista ja kokeellista työtä ymmärtääksemme tarkalleen mitä tapahtuu," toteaa Valles yliopistonsa tiedotteessa.

Resistanssia syntyy, kun elektronit poukkoilevat materiaalin atomihilassa liikkuessaan. Mutta kun elektronit liittyvät yhteen Cooperin pareiksi, ne käyvät läpi merkittävän muutoksen. Elektronit itsessään ovat fermioneja, mikä tarkoittaa, että jokaisella elektronilla on taipumus pitää oma kvanttitilansa.

Cooper-parit toimivat kuitenkin kuin bosonit, jotka voivat jakaa saman tilan. Tämä bosoninen käyttäytyminen antaa Cooper-parille mahdollisuuden koordinoida liikettä muiden Cooper-parisarjojen kanssa tavalla, joka vähentää resistanssin nollaan.

Tällä kertaa etsittiin Cooper-pareja ei-suprajohtavassa metallisessa tilassa tutkimalla pienten reikien ryhmillä kuvioitua korkean lämpötilan suprajohde yttriumbarium-kuparioksidia (YBCO).

Ajatus siitä, että bosonin kaltaiset Cooperin parit ovat vastuussa tästä metallisesta tilasta, on yllättävää, tutkijat sanovat. Kvanttiteoriassa on elementtejä, joiden mukaan tämän ei pitäisi olla mahdollista. Joten tässä tilassa tapahtuvan ymmärtäminen voi johtaa jännittävään uuteen fysiikkaan, mutta lisätutkimuksia tarvitaan.

Jatkossa voi tutkijoiden mukaan olla mahdollista valjastaa tämä bosoninen metallitila uudentyyppisille elektronisille laitteille.

"Bosonit ovat yleensä enemmän aaltomaisia kuin fermioniset elektronit, joten puhumme siitä, että niillä on vaihe ja ne aiheuttavat interferenssiä samalla tavalla kuin valo", Valles kertoo. "Joten saattaa olla olemassa uusia tapoja varauksen siirtämiseen laitteissa toimimalla bosonien välisillä interferensseillä."

Aiheesta aiemmin: Ledeistä uusi ikkuna kvanttifysiikkaan