Οι επιστήμονες ανακαλύπτουν μια άπιαστη υπεραγώγιμη κατάσταση που είχε προβλεφθεί για πρώτη φορά το 2017

Σε ένα πρωτοποριακό πείραμα, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Groningen συνεργάστηκαν με συνομηλίκους από τα Πανεπιστήμια Nijmegen και Twente στην Ολλανδία και το Τεχνολογικό Ινστιτούτο Harbin στην Κίνα. Μαζί, επιβεβαίωσαν την ύπαρξη μιας υπεραγώγιμης κατάστασης που είχε προβλεφθεί για πρώτη φορά το 2017.

Τα ευρήματά τους, τα οποία αποδεικνύουν μια μοναδική μορφή της κατάστασης υπεραγώγιμου FFLO, δημοσιεύτηκαν πρόσφατα στο περιοδικό φύση. Αυτή η ανακάλυψη έχει τη δυνατότητα να έχει επιρροή, ιδιαίτερα στον τομέα των υπεραγώγιμων ηλεκτρονικών.

Αυτός είναι ο καθηγητής Dr. Justin Yee, Πρόεδρος της Ομάδας Φυσικής Συσκευών για Σύνθετα Υλικά στο Πανεπιστήμιο του Groningen στην Ολλανδία και επικεφαλής συγγραφέας της εργασίας Nature για την υπεραγώγιμη κατάσταση του FFLO. Credit: Sylvia Germes

Ο κύριος συγγραφέας της εργασίας είναι ο καθηγητής Justin Yee, ο οποίος είναι επικεφαλής της ομάδας Device Physics for Complex Materials στο Πανεπιστήμιο του Groningen. Ο Ye και η ομάδα του εργάζονταν για την υπόθεση του υπεραγώγιμου Ising. Αυτή είναι μια ειδική περίπτωση που μπορεί να αντισταθεί στα μαγνητικά πεδία που καταστρέφουν την υπεραγωγιμότητα γενικά, και αυτό ήταν Η ομάδα το περιέγραψε το 2015.

Το 2019 δημιούργησαν Συσκευή που περιλαμβάνει διπλό στρώμα δισουλφιδίου μολυβδαινίουΤο e μπορεί να συσχετιστεί με τις υπεραγώγιμες καταστάσεις Ising που υπάρχουν στα δύο στρώματα. Είναι ενδιαφέρον ότι η συσκευή που δημιούργησαν ο Ye και η ομάδα του καθιστά δυνατή την ενεργοποίηση ή απενεργοποίηση αυτής της προστασίας χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρικό πεδίο, με αποτέλεσμα ένα υπεραγώγιμο τρανζίστορ.

Απιαστος

Η διπλή υπεραγώγιμη συσκευή του Ising ρίχνει φως σε μια μακροχρόνια πρόκληση στον τομέα της υπεραγωγιμότητας. Το 1964, τέσσερις επιστήμονες (Fulde, Ferrell, Larkin και Ovchinnikov) προέβλεψαν μια ειδική υπεραγώγιμη κατάσταση που μπορεί να υπάρξει υπό συνθήκες χαμηλής θερμοκρασίας και ισχυρού μαγνητικού πεδίου, που αναφέρεται ως κατάσταση FFLO.

Στην τυπική υπεραγωγιμότητα, τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν σε αντίθετες κατευθύνσεις ως ζεύγη Cooper. Εφόσον κινούνται με την ίδια ταχύτητα, η συνολική ορμή αυτών των ηλεκτρονίων είναι μηδέν. Ωστόσο, στην περίπτωση του FFLO, υπάρχει μικρή διαφορά στην ταχύτητα μεταξύ των ηλεκτρονίων στα ζεύγη Cooper, πράγμα που συνεπάγεται μια καθαρή κινητική ορμή.

«Αυτή η περίπτωση είναι πολύ άπιαστη και υπάρχουν μόνο λίγα υλικά που ισχυρίζονται ότι είναι συνηθισμένοι υπεραγωγοί», λέει ο Ye. Ωστόσο, τίποτα από αυτά δεν είναι οριστικό.

Αυτό το διάγραμμα φάσης δείχνει την ύπαρξη μιας ανισότροπης εξαπλής τροχιακής κατάστασης, η οποία καταλαμβάνει μεγάλο μέρος του διαγράμματος φάσης. Στην επάνω δεξιά γωνία, οι σχηματικές εικόνες δείχνουν τη χωρική διαμόρφωση της παραμέτρου υπεραγώγιμης τάξης. Πιστωτική: P. Wan/Πανεπιστήμιο του Groningen

Για να δημιουργηθεί η κατάσταση FFLO σε έναν συμβατικό υπεραγωγό, απαιτείται ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Αλλά ο ρόλος που παίζει το μαγνητικό πεδίο πρέπει να συντονιστεί με ακρίβεια. Με απλά λόγια, για να παίξει το μαγνητικό πεδίο δύο ρόλους, πρέπει να χρησιμοποιήσουμε το φαινόμενο Zeeman. Αυτό διαχωρίζει τα ηλεκτρόνια σε ζεύγη Cooper με βάση την κατεύθυνση του σπιν τους (μαγνητική ροπή), αλλά όχι με το τροχιακό φαινόμενο – τον άλλο ρόλο που συνήθως καταστρέφει την υπεραγωγιμότητα.

«Είναι μια λεπτή διαπραγμάτευση μεταξύ της υπεραγωγιμότητας και του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου», εξηγεί ο Yi.

δακτυλικό αποτύπωμα

Ο πρώτος συγγραφέας Buhua Wan παρήγαγε δείγματα που πληρούσαν όλες τις απαιτήσεις για να αποδείξουν ότι υπάρχει πράγματι πεπερασμένη ορμή στα ζεύγη Cooper. Πιστωτική: P. Wan/Πανεπιστήμιο του Groningen

είναι η υπεραγωγιμότητα, τα οποία παρουσιάστηκαν από τον Ye και τους συνεργάτες του και δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Επιστήμες Το 2015, κατέστειλε το φαινόμενο Zeeman. «Με το φιλτράρισμα του βασικού στοιχείου που καθιστά δυνατή τη συμβατική FFLO, ελευθερώσαμε άφθονο χώρο ώστε το μαγνητικό πεδίο να παίξει τον άλλο ρόλο του, που είναι το τροχιακό φαινόμενο», λέει ο Ye.

«Αυτό που δείξαμε στην εργασία μας είναι ένα σαφές αποτύπωμα της κατάστασης FFLO που οδηγείται από τροχιακό φαινόμενο στον υπεραγωγό Ising», εξηγεί ο Yi. «Πρόκειται για μια άτυπη περίπτωση FFLO, που περιγράφηκε για πρώτη φορά θεωρητικά το 2017». Η κατάσταση FFLO στους συμβατικούς υπεραγωγούς απαιτεί πολύ χαμηλές θερμοκρασίες και πολύ ισχυρά μαγνητικά πεδία, γεγονός που καθιστά δύσκολο τον σχηματισμό. Ωστόσο, στον υπεραγωγό Ising του Ye’s, η κατάσταση επιτυγχάνεται με ασθενέστερο μαγνητικό πεδίο και σε υψηλότερες θερμοκρασίες.

τρανζίστορ

Στην πραγματικότητα, ο Yi παρατήρησε για πρώτη φορά σημάδια της κατάστασης FFLO στην υπεραγώγιμη συσκευή του με δισουλφίδιο του μολυβδαινίου το 2019. «Εκείνη την εποχή, δεν μπορούσαμε να το αποδείξουμε, επειδή τα δείγματα δεν ήταν αρκετά καλά», λέει ο Yi. Ωστόσο, έχει αποκτήσει το διδακτορικό του. Ο μαθητής Puhua Wan πέτυχε έκτοτε να παράγει δείγματα υλικού που πληρούσαν όλες τις προϋποθέσεις για να δείξει ότι υπάρχει πράγματι πεπερασμένη ορμή στα ζεύγη Cooper. «Οι πραγματικές δοκιμές διήρκεσαν μισό χρόνο, αλλά η ανάλυση των αποτελεσμάτων πρόσθεσε έναν ακόμη χρόνο», λέει ο Ye. Ο Wan είναι ο πρώτος συντάκτης του αρχείου φύση χαρτί.

Αυτή η νέα υπεραγώγιμη κατάσταση χρειάζεται περαιτέρω διερεύνηση. Εσείς: “Υπάρχουν πολλά να μάθουμε γι’ αυτό. Για παράδειγμα, πώς επηρεάζει η κινητική ορμή τις φυσικές παραμέτρους; Η μελέτη αυτής της κατάστασης θα προσφέρει νέες ιδέες για την υπεραγωγιμότητα. Αυτό μπορεί να μας επιτρέψει να ελέγξουμε αυτήν την κατάσταση σε συσκευές όπως τα τρανζίστορ. Αυτή είναι η επόμενη πρόκληση.”

Αναφορά: «Ορβιταλική κατάσταση Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov στον υπεραγωγό Ising» των Puhua Wan, Oleksandr Zheliuk, Noah FQ Yuan, Xiaoli Peng, Le Zhang, Minpeng Liang, Uli Zeitler, Steffen Wiedmann, Nigel E. φύση.
DOI: 10.1038/s41586-023-05967-z