Wetenschappers ontdekken een ongrijpbare supergeleidende toestand die voor het eerst werd voorspeld in 2017

Wetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen en hun internationale partners bevestigden het bestaan ​​van een supergeleidende toestand, FFLO, die theoretisch werd voorspeld in 2017. Hun apparaat, dat een dubbele laag molybdeendisulfide gebruikt om deze toestand te beheersen, zou het veld van supergeleidende elektronica enorm kunnen verbeteren.

In een baanbrekend experiment werkten onderzoekers van de Rijksuniversiteit Groningen samen met collega’s van de Universiteiten van Nijmegen en Twente in Nederland, en het Harbin Institute of Technology in China. Samen bevestigden ze het bestaan ​​van een supergeleidende toestand die voor het eerst werd voorspeld in 2017.

Hun bevindingen, die bewijs leveren voor een unieke vorm van de supergeleidende FFLO-toestand, werden onlangs gepubliceerd in het tijdschrift natuur. Deze doorbraak heeft het potentieel om invloedrijk te zijn, met name op het gebied van supergeleidende elektronica.

Dit is prof. dr. Justin Yee, voorzitter van de Device Physics Group for Complex Materials aan de Rijksuniversiteit Groningen in Nederland, en hoofdauteur van het Nature-artikel over de supergeleidende toestand van FFLO. Krediet: Sylvia Germes

De hoofdauteur van het artikel is professor Justin Yee, hoofd van de Device Physics for Complex Materials-groep aan de Rijksuniversiteit Groningen. Ye en zijn team hebben gewerkt aan de Ising supergeleidende zaak. Dit is een speciaal geval dat bestand is tegen de magnetische velden die supergeleiding in het algemeen vernietigen, en dat was het dan Het team beschreef het in 2015.

In 2019 creëerden ze Apparaat bestaande uit een dubbele laag molybdeendisulfidee kan worden geassocieerd met de Ising-supergeleidende toestanden die aanwezig zijn in de twee lagen. Interessant is dat het apparaat dat Ye en zijn team hebben gemaakt het mogelijk maakt om deze beveiliging aan of uit te zetten met behulp van een elektrisch veld, wat resulteert in een supergeleidende transistor.

Onaantastbaar

Het dubbele supergeleidende apparaat van Ising werpt licht op een langdurige uitdaging op het gebied van supergeleiding. In 1964 voorspelden vier wetenschappers (Fulde, Ferrell, Larkin en Ovchinnikov) een speciale supergeleidende toestand die kan bestaan ​​onder omstandigheden van lage temperatuur en een sterk magnetisch veld, de FFLO-toestand genoemd.

In standaard supergeleiding reizen elektronen in tegengestelde richtingen als Cooper-paren. Omdat ze met dezelfde snelheid bewegen, is het totale momentum van deze elektronen nul. In het geval van FFLO is er echter weinig verschil in snelheid tussen de elektronen in de Cooper-paren, wat een netto kinetisch momentum impliceert.

“Deze zaak is erg ongrijpbaar en er zijn maar een paar materialen die beweren gewone supergeleiders te zijn”, zegt Ye. Niets hiervan is echter definitief.

Dit fasediagram toont het bestaan ​​van een anisotrope zesvoudige orbitale toestand, die een groot deel van het fasediagram in beslag neemt. In de rechterbovenhoek tonen de schematische illustraties de ruimtelijke modulatie van de parameter supergeleidende orde. Credits: P. Wan/Rijksuniversiteit Groningen

Om de FFLO-toestand in een conventionele supergeleider te creëren, is een sterk magnetisch veld nodig. Maar de rol die het magnetische veld speelt, moet nauwkeurig worden afgesteld. Simpel gezegd, om het magnetische veld twee rollen te laten spelen, moeten we het Zeeman-effect gebruiken. Dit scheidt de elektronen in Cooper-paren op basis van hun draairichting (magnetisch moment), maar niet op basis van het orbitale effect – de andere rol die gewoonlijk supergeleiding vernietigt.

“Het is een delicate onderhandeling tussen supergeleiding en het externe magnetische veld”, legt Yi uit.

vingerafdruk

Eerste auteur Buhua Wan produceerde monsters die aan alle vereisten voldeden om aan te tonen dat er inderdaad een eindig momentum is in Cooper-paren. Credits: P. Wan/Rijksuniversiteit Groningen

is supergeleiding, die werden gepresenteerd door Ye en zijn medewerkers en gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappen In 2015 onderdrukte hij het Zeeman-effect. “Door de belangrijkste component die conventionele FFLO mogelijk maakt eruit te filteren, hebben we voldoende ruimte vrijgemaakt voor het magnetische veld om zijn andere rol te spelen, namelijk het orbitale effect”, zegt Ye.

“Wat we in ons artikel hebben laten zien, is een duidelijke afdruk van de door een orbitaal effect aangedreven FFLO-toestand in de Ising-supergeleider”, legt Yi uit. “Dit is een atypische FFLO-zaak, voor het eerst theoretisch beschreven in 2017.” De FFLO-toestand in conventionele supergeleiders vereist zeer lage temperaturen en zeer sterke magnetische velden, waardoor het moeilijk te vormen is. In de Ising-supergeleider van Ye wordt de toestand echter bereikt met een zwakker magnetisch veld en bij hogere temperaturen.

transistoren

Yi merkte zelfs voor het eerst tekenen van de FFLO-toestand op in zijn supergeleidende apparaat voor molybdeendisulfide in 2019. “Op dat moment konden we het niet bewijzen, omdat de monsters niet goed genoeg waren”, zegt Yi. Hij heeft echter zijn Ph.D. Student Puhua Wan is er sindsdien in geslaagd materiaalmonsters te produceren die aan alle vereisten voldeden om aan te tonen dat er inderdaad een eindig momentum is in Cooper-paren. “De daadwerkelijke proeven duurden een half jaar, maar het analyseren van de resultaten deed er nog een jaar bij”, zegt Ye. Wan is de eerste auteur van de natuur papier.

Deze nieuwe supergeleidende toestand moet verder worden onderzocht. Jij: “Er valt veel over te leren. Hoe beïnvloedt kinetisch momentum bijvoorbeeld fysieke parameters? Het bestuderen van deze toestand zal nieuwe inzichten opleveren in supergeleiding. Dit kan ons in staat stellen om deze toestand te beheersen in apparaten zoals transistors. Dit is onze volgende uitdaging.”

Referentie: “Orbital Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov state in Ising superconductor” door Puhua Wan, Oleksandr Zheliuk, Noah FQ Yuan, Xiaoli Peng, Le Zhang, Minpeng Liang, Uli Zeitler, Steffen Wiedmann, Nigel E. natuur.
DOI: 10.1038/s41586-023-05967-z