Supercondutores são capazes de conduzir eletricidade com resistência zero graças aos pares Cooper, duplas de elétrons que se unem e patinam por um material desimpedido. Em 2007, Pesquisadores da Brown University fizeram a surpreendente descoberta de que pares Cooper também podem existir em materiais isolantes, ajudando a bloquear o fluxo de corrente ao invés de habilitá-lo. Agora, o mesmo grupo de laboratório revelou as forças envolvidas nesses "isoladores de par Cooper".

Em um artigo publicado em Cartas de revisão física , os pesquisadores mostram que na fase de isolamento, Os pares de Cooper são controlados pelas interações repulsivas entre os próprios pares, não por qualquer desordem na rede atômica do material. Essa percepção pode ser importante na concepção de materiais ou dispositivos que tiram proveito da transição supercondutor-isolante - um interruptor supercondutor, por exemplo.

"Essencial para a eletrônica é manipular como os elétrons fluem, portanto, encontrar novas maneiras de fluxo de elétrons leva a novos métodos de manipulação para implementação em novos dispositivos, "disse Jim Valles, professor de física na Brown e autor sênior do artigo. "Este trabalho nos dá novas informações sobre a propagação de pares de Cooper, o que pode ser útil para manipulá-los em novos dispositivos. "

Em seu artigo de 2007, Valles e seus colegas realizaram experimentos em filmes finos feitos de bismuto amorfo. Blocos espessos de bismuto amorfo atuam como supercondutores, mas quando reduzido em fatias com apenas alguns átomos de espessura, o material se torna um isolante.

A pesquisa inicial de Valles e seus colegas mostrou que os pares de Cooper (nomeados em homenagem ao físico de Brown Leon Cooper, que ganhou o prêmio Nobel por descrever sua dinâmica) estiveram presentes nesses filmes. Mas, em vez de se moverem livremente como fazem no estado supercondutor, os pares de Cooper nos filmes ficaram isolados em pequenas ilhas dentro do material, incapaz de pular para a próxima ilha. Não estava claro, Contudo, quais forças estavam mantendo os pares no lugar. Isso é o que Valles e seus colegas esperavam encontrar com este novo estudo.

Uma possibilidade que mantém os pares Cooper no lugar é a carga deles. Cada par tem uma forte carga negativa, e partículas com a mesma carga se repelem. Pode ser que um par de Cooper tenha dificuldade em pular para a próxima ilha porque essa ilha já está ocupada por outro par de Cooper que está recuando. Isso cria um engarrafamento relacionado à carga que impede que uma corrente se mova pelo material.

Valles e seus colegas pretendiam testar esse cenário. Para o estudo, eles borrifaram átomos de gadolínio na estrutura atômica de seus isoladores de bismuto. Gadolínio é magnético, e o magnetismo enfraquece o acoplamento do par de Cooper - potencialmente fazendo com que eles se separem em elétrons individuais. Se alguns pares de Cooper se separassem, mesmo que por um instante, poderia liberar algum espaço na ilha e dar aos pares intactos espaço para pular. Portanto, se mais pares começarem a pular à medida que mais gadolínio for adicionado, seria um sinal claro de que a resistência nesse material é impulsionada por esse congestionamento relacionado à carga. E isso é exatamente o que os experimentos mostraram.

“É essa combinação dessas pequenas ilhas dos filmes e as barreiras entre essas ilhas criadas pela interação repulsiva dos pares de Cooper que dá origem a essa resistência, "Valles disse.

Esta é a primeira vez que alguém consegue descartar outros fatores que podem contribuir para a resistência. Uma outra possibilidade era um fenômeno conhecido como localização de Anderson, que tem a ver com desordem na estrutura de um material. Os efeitos de Anderson podem ser importantes em temperaturas próximas do zero absoluto, onde eles contribuem para um estado ainda mais exótico conhecido como superinsulation, em que a resistência se torna infinita. Mas em temperaturas relativamente mais altas, este estudo mostra que é a cobrança que é importante. E isso pode ter implicações para o projeto de novos dispositivos eletrônicos - talvez interruptores supercondutores para portas lógicas.

"É possível que possamos obter um interruptor de baixa temperatura com isso, "Valles disse." Ou se pudéssemos tirar esse comportamento de um supercondutor de alta temperatura, podemos obter uma versão de temperatura mais alta, que pode ter um uso ainda mais prático. "