Le cobalt semble être l'une de ces exceptions. Contrairement à la théorie, l'ajout de cobalt oblige le supraconducteur à base de fer à perdre sa capacité supraconductrice et à devenir comme un métal ordinaire, dans lequel l'électricité circule avec résistance et gaspille son énergie sous forme de chaleur.

Jusqu'à maintenant, on ne sait pas comment cela se produit.

Pour explorer ce phénomène, l'équipe de chercheurs de Princeton a utilisé une technique connue sous le nom de microscopie à effet tunnel, qui est capable d'imager des atomes individuels, étudier un supraconducteur à base de fer à base de lithium, fer et arsenic.

Ils ont introduit des impuretés non magnétiques sous forme d'atomes de cobalt dans le supraconducteur pour voir comment il se comportait.

Les chercheurs ont mesuré un grand nombre d'échantillons à des températures extrêmement basses, environ moins 460 degrés Fahrenheit (400 degrés milliKelvin), qui est plus froid que l'espace de près de dix degrés Fahrenheit. Dans ces conditions, les chercheurs ont localisé et identifié chaque atome de cobalt dans le réseau cristallin, puis mesuré directement l'effet qu'il avait sur la supraconductivité à la fois à l'échelle atomique locale et sur les propriétés supraconductrices globales de l'échantillon.

Pour faire ça, les chercheurs ont étudié plus de 30 cristaux à travers huit concentrations différentes à ces températures extrêmement basses avec une résolution au niveau atomique. "Il n'y a aucune garantie qu'un cristal donné nous donnera les données de haute qualité dont nous avons besoin, " a déclaré Songtian Sonia Zhang, un étudiant diplômé et co-premier auteur de l'étude.

À la suite de cette vaste expérience, l'équipe a découvert que chaque atome de cobalt a un impact local limité qui disparaît à un ou deux atomes de distance de l'impureté. Cependant, il y a un fort, évolution systématique à travers une transition de phase vers une normale, état non supraconducteur lorsque la concentration en cobalt augmente. La supraconductivité est finalement complètement détruite en introduisant plus d'atomes de cobalt.

La supraconductivité est due à l'appariement de deux électrons pour former un seul état quantique décrit par une propriété connue sous le nom de fonction d'onde. Cet appariement permet aux électrons de traverser un matériau sans la résistance typique des métaux de tous les jours. L'énergie minimale requise pour disperser les électrons et rompre les paires est appelée « gap d'énergie supraconducteur ».

Lorsque des atomes de cobalt sont ajoutés, la force de diffusion peut être décrite de deux manières :la limite forte (ou unitaire) et la limite faible (ou Born). Diffusion à la limite de Born, du nom du physicien Max Born, a le potentiel le plus faible pour perturber les fonctions d'onde des électrons qui sont cruciales pour l'interaction électron-électron et donc l'appariement des électrons.

En remplaçant les atomes de fer, les atomes de cobalt se comportent comme des diffuseurs à la limite de Born. Bien que les diffuseurs à limite de Born aient un potentiel relativement faible pour perturber la supraconductivité, quand beaucoup se combinent, ils peuvent détruire la supraconductivité.

Les chercheurs ont découvert que pour le matériau d'arséniure de fer et de lithium, la diffusion à la limite de Born est apparemment capable de violer le théorème d'Anderson, conduisant à une transition de phase quantique d'un état supraconducteur à un état non supraconducteur.

Les matériaux supraconducteurs peuvent être décrits par une caractéristique connue sous le nom de spectre tunnel, qui fournit une description du comportement des électrons dans un matériau et agit comme le profil de distribution d'énergie d'un électron. Le matériau à base d'arséniure de fer et de lithium a ce que l'on appelle un espace " à onde S " caractérisé par un fond plat " en forme de U " dans l'espace d'énergie supraconducteur. Un espace supraconducteur complètement ouvert indique la qualité des matériaux supraconducteurs.