Les supraconducteurs sont capables de conduire l'électricité avec une résistance nulle grâce aux paires de Cooper, des duos d'électrons qui font équipe et patinent à travers un matériau sans entrave. En 2007, Des chercheurs de l'Université Brown ont fait la découverte surprenante que les paires de Cooper peuvent également exister dans les matériaux isolants, aider à bloquer le flux de courant plutôt que de le permettre. Maintenant, ce même groupe de laboratoire a révélé les forces impliquées dans ces "isolateurs à paires de Cooper".

Dans un article publié en Lettres d'examen physique , les chercheurs montrent que dans la phase isolante, Les paires de Cooper sont tenues en échec par les interactions répulsives entre les paires elles-mêmes, pas par un quelconque désordre dans le réseau atomique du matériau. Cette idée pourrait être importante dans la conception de matériaux ou de dispositifs qui tirent parti de la transition supraconducteur-isolant - un commutateur supraconducteur, par exemple.

"L'essentiel de l'électronique est de manipuler la façon dont les électrons circulent, ainsi, trouver de nouvelles façons dont les électrons circulent conduit à de nouvelles méthodes de manipulation pour la mise en œuvre dans de nouveaux dispositifs, " a déclaré Jim Valles, professeur de physique à Brown et auteur principal de l'article. "Ce travail nous donne de nouvelles informations sur la propagation des paires de Cooper, ce qui pourrait être utile pour les manipuler dans de nouveaux appareils."

Dans leur article de 2007, Valles et ses collègues ont réalisé des expériences sur des films minces fabriqués à partir de bismuth amorphe. Des blocs épais de bismuth amorphe agissent comme des supraconducteurs, mais lorsqu'il est réduit en tranches de quelques atomes d'épaisseur, le matériau devient un isolant.

Les recherches initiales de Valles et de ses collègues ont montré que les paires de Cooper (qui portent le nom du physicien Brown Leon Cooper, qui a remporté un prix Nobel pour avoir décrit leur dynamique) étaient présents dans ces films. Mais au lieu de se déplacer librement comme ils le font dans l'état supraconducteur, les couples Cooper dans les films se sont retrouvés bloqués sur de minuscules îles dans le matériau, incapable de sauter sur l'île suivante. Ce n'était pas clair, cependant, quelles forces maintenaient les paires en place. C'est ce que Valles et ses collègues espéraient découvrir avec cette nouvelle étude.

Une possibilité pour ce qui maintient les paires Cooper en place est leur charge. Chaque paire a une forte charge négative, et les particules de même charge se repoussent. Il se peut qu'une paire de Cooper ait du mal à se rendre sur l'île suivante, car cette île est déjà occupée par une autre paire de Cooper qui recule. Cela crée un embouteillage lié à la charge qui empêche un courant de traverser le matériau.

Valles et ses collègues visaient à tester ce scénario. Pour l'étude, ils ont saupoudré des atomes de gadolinium dans la structure atomique de leurs isolants en bismuth. Le gadolinium est magnétique, et le magnétisme affaiblit le couplage des paires de Cooper, les faisant potentiellement se séparer en électrons individuels. Si quelques paires de Cooper se séparent même pour un instant, cela pourrait libérer de l'espace sur l'île et donner aux paires intactes la possibilité de sauter. Donc, si plus de paires commencent à sauter à mesure que plus de gadolinium est ajouté, ce serait un signal clair que la résistance dans ces matériaux est entraînée par cet embouteillage lié à la charge. Et c'est exactement ce que les expériences ont montré.

"C'est cette combinaison de ces petites îles dans les films et les barrières entre ces îles créées par l'interaction répulsive des paires de Cooper qui donne lieu à cette résistance, ", a déclaré Valles.

C'est la première fois que quelqu'un est en mesure d'exclure d'autres facteurs pouvant contribuer à la résistance. Une autre possibilité était un phénomène connu sous le nom de localisation d'Anderson, qui a à voir avec le désordre dans la structure d'un matériau. Les effets d'Anderson peuvent être importants à des températures proches du zéro absolu, où ils contribuent à un état encore plus exotique connu sous le nom de superisolation, où la résistance devient infinie. Mais à des températures relativement plus élevées, cette étude montre que c'est la charge qui est importante. Et cela pourrait avoir des implications pour la conception de nouveaux dispositifs électroniques, peut-être des commutateurs supraconducteurs pour les portes logiques.

« Il est possible que nous puissions en tirer un interrupteur à basse température, " dit Valles. " Ou si nous pouvions obtenir ce comportement d'un supraconducteur à haute température, nous pourrions obtenir une version à plus haute température, qui pourrait avoir une utilité encore plus pratique."