Naukowcy odkrywają nieuchwytny stan nadprzewodnictwa, który po raz pierwszy przewidziano w 2017 roku

W przełomowym eksperymencie naukowcy z Uniwersytetu w Groningen współpracowali z kolegami z uniwersytetów w Nijmegen i Twente w Holandii oraz Harbin Institute of Technology w Chinach. Wspólnie potwierdzili istnienie stanu nadprzewodzącego, który po raz pierwszy przewidziano w 2017 roku.

Ich odkrycia, które dostarczają dowodów na istnienie unikalnej formy nadprzewodzącego stanu FFLO, zostały niedawno opublikowane w czasopiśmie Natura. Ten przełom może mieć wpływ, szczególnie w dziedzinie elektroniki nadprzewodzącej.

To prof. dr Justin Yee, przewodniczący Grupy Fizyki Urządzeń ds. Materiałów Złożonych na Uniwersytecie w Groningen w Holandii i główny autor artykułu w Nature na temat stanu nadprzewodnictwa FFLO. Źródło: Sylvia Germes

Głównym autorem artykułu jest profesor Justin Yee, który kieruje grupą Device Physics for Complex Materials na Uniwersytecie w Groningen. Ye i jego zespół pracowali nad przypadkiem nadprzewodnictwa Isinga. Jest to szczególny przypadek, który może wytrzymać pola magnetyczne, które ogólnie niszczą nadprzewodnictwo, i to wszystko Zespół opisał to w 2015 roku.

W 2019 stworzyli Urządzenie zawierające podwójną warstwę dwusiarczku molibdenue można powiązać ze stanami nadprzewodnictwa Isinga obecnymi w dwóch warstwach. Co ciekawe, urządzenie, które stworzył Ye i jego zespół, umożliwia włączanie i wyłączanie tego zabezpieczenia za pomocą pola elektrycznego, w wyniku czego powstaje nadprzewodzący tranzystor.

Nieuchwytny

Podwójne urządzenie nadprzewodzące Isinga rzuca światło na wieloletnie wyzwanie w dziedzinie nadprzewodnictwa. W 1964 roku czterech naukowców (Fulde, Ferrell, Larkin i Ovchinnikov) przewidziało specjalny stan nadprzewodnictwa, który może istnieć w warunkach niskiej temperatury i silnego pola magnetycznego, określany jako stan FFLO.

W standardowym nadprzewodnictwie elektrony poruszają się w przeciwnych kierunkach jako pary Coopera. Ponieważ poruszają się z tą samą prędkością, całkowity pęd tych elektronów wynosi zero. Jednak w przypadku FFLO istnieje niewielka różnica prędkości między elektronami w parach Coopera, co implikuje wypadkowy pęd kinetyczny.

„Ten przypadek jest bardzo nieuchwytny i istnieje tylko kilka materiałów, które twierdzą, że są zwykłymi nadprzewodnikami” – mówi Ye. Jednak nic z tego nie jest rozstrzygające.

Ten diagram fazowy pokazuje istnienie anizotropowego sześciokrotnego stanu orbitalnego, który zajmuje dużą część diagramu fazowego. W prawym górnym rogu schematyczne ilustracje pokazują modulację przestrzenną parametru rzędu nadprzewodników. Źródło: P. Wan/Uniwersytet w Groningen

Do wytworzenia stanu FFLO w konwencjonalnym nadprzewodniku potrzebne jest silne pole magnetyczne. Jednak rola, jaką odgrywa pole magnetyczne, wymaga precyzyjnego dostrojenia. Mówiąc najprościej, aby pole magnetyczne spełniało dwie role, musimy wykorzystać efekt Zeemana. To rozdziela elektrony na pary Coopera na podstawie ich kierunku wirowania (momentu magnetycznego), ale nie na podstawie efektu orbitalnego – innej roli, która zwykle niszczy nadprzewodnictwo.

„To delikatna negocjacja między nadprzewodnictwem a zewnętrznym polem magnetycznym” – wyjaśnia Yi.

odcisk palca

Pierwszy autor, Buhua Wan, stworzył próbki, które spełniły wszystkie wymagania, aby wykazać, że rzeczywiście istnieje skończony pęd w parach Coopera. Źródło: P. Wan/Uniwersytet w Groningen

jest nadprzewodnictwo, które zostały zaprezentowane przez Ye i jego współpracowników i opublikowane w czasopiśmie Nauki W 2015 roku stłumił efekt Zeemana. „Odfiltrowując kluczowy składnik, który umożliwia konwencjonalne FFLO, zwolniliśmy wystarczająco dużo miejsca, aby pole magnetyczne mogło pełnić swoją inną rolę, czyli efekt orbitalny” – mówi Ye.

„To, co pokazaliśmy w naszym artykule, jest wyraźnym odciskiem stanu FFLO napędzanego efektem orbitalnym w nadprzewodniku Isinga” – wyjaśnia Yi. „To nietypowy przypadek FFLO, po raz pierwszy opisany teoretycznie w 2017 roku”. Stan FFLO w konwencjonalnych nadprzewodnikach wymaga bardzo niskich temperatur i bardzo silnych pól magnetycznych, co utrudnia jego formowanie. Jednak w nadprzewodniku Ye Isinga stan ten jest osiągany przy słabszym polu magnetycznym i przy wyższych temperaturach.

tranzystory

W rzeczywistości Yi po raz pierwszy zauważył oznaki stanu FFLO w swoim nadprzewodzącym urządzeniu do badania dwusiarczku molibdenu w 2019 r. „W tamtym czasie nie mogliśmy tego udowodnić, ponieważ próbki nie były wystarczająco dobre” – mówi Yi. Jednak zdobył doktorat. Uczniowi Puhua Wan udało się od tego czasu wyprodukować próbki materiału, które spełniły wszystkie wymagania, aby wykazać, że pary Coopera rzeczywiście mają skończony pęd. „Rzeczywiste próby trwały pół roku, ale analiza wyników dodała kolejny rok” — mówi Ye. Wan jest pierwszym autorem Natura papier.

Ten nowy stan nadprzewodnictwa wymaga dalszych badań. Ty: „Można się o tym wiele dowiedzieć. Na przykład, jak pęd kinetyczny wpływa na parametry fizyczne? Badanie tego stanu dostarczy nowych informacji na temat nadprzewodnictwa. Może to umożliwić nam kontrolowanie tego stanu w urządzeniach takich jak tranzystory. To jest nasze kolejne wyzwanie”.

Odniesienie: „Orbitalny stan Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov w nadprzewodniku Isinga” autorstwa Puhua Wan, Oleksandr Zheliuk, Noah FQ Yuan, Xiaoli Peng, Le Zhang, Minpeng Liang, Uli Zeitler, Steffen Wiedmann, Nigel E. Natura.
DOI: 10.1038/s41586-023-05967-z