Superconductor Superconduction Technology

Οι επιστήμονες ανακάλυψαν την ύπαρξη μιας άπιαστης υπεραγώγιμης κατάστασης που προβλέφθηκε για πρώτη φορά το 2017

Σε ένα πρωτοποριακό πείραμα, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Groningen συνεργάστηκαν με συνομηλίκους τους 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 καταδεικνύουν στοιχεία για μια μοναδική μορφή της υπεραγώγιμης κατάστασης FFLO, δημοσιεύτηκαν πρόσφατα στο περιοδικό Φύση. Αυτή η σημαντική ανακάλυψη έχει τη δυνατότητα να έχει αντίκτυπο, ιδιαίτερα στον τομέα των υπεραγώγιμων ηλεκτρονικών.

Ο κύριος συγγραφέας της εργασίας είναι ο καθηγητής Justin Ye, ο οποίος είναι επικεφαλής της ομάδας Device Physics of Complex Materials στο Πανεπιστήμιο του Groningen. Ο Ye και η ομάδα του εργάζονταν στην υπεραγώγιμη κατάσταση Ising. Αυτή είναι μια ειδική κατάσταση που μπορεί να αντισταθεί στα μαγνητικά πεδία που γενικά καταστρέφουν την υπεραγωγιμότητα, και αυτό ήταν περιγράφεται από την ομάδα το 2015.

Το 2019 δημιούργησαν μια συσκευή που περιλαμβάνει ένα διπλό στρώμα δισουλφιδίου μολυβδαινίουe που θα μπορούσε να συνδέσει τις καταστάσεις υπεραγωγιμότητας Ising που βρίσκονται στα δύο στρώματα. Είναι ενδιαφέρον ότι η συσκευή που δημιουργήθηκε από τον Ye και την ομάδα του καθιστά δυνατή την ενεργοποίηση ή απενεργοποίηση αυτής της προστασίας χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρικό πεδίο, με αποτέλεσμα ένα υπεραγώγιμο τρανζίστορ.

Απιαστος

Η συζευγμένη συσκευή υπεραγωγού 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 θα μπορούσε 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. Δεδομένου ότι ταξιδεύουν με την ίδια ταχύτητα, αυτά τα ηλεκτρόνια έχουν συνολική κινητική ορμή μηδέν. Ωστόσο, στην κατάσταση FFLO, υπάρχει μια μικρή διαφορά ταχύτητας μεταξύ των ηλεκτρονίων στα ζεύγη Cooper, που σημαίνει ότι υπάρχει μια καθαρή κινητική ορμή.

«Αυτή η κατάσταση είναι πολύ άπιαστη και υπάρχουν μόνο λίγα άρθρα που ισχυρίζονται την ύπαρξή της σε κανονικούς υπεραγωγούς», λέει ο Ye. «Ωστόσο, κανένα από αυτά δεν είναι οριστικό».

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

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

Δακτυλικό αποτύπωμα

Υπεραγωγιμότητα Ising, την οποία ο Ye και οι συνεργάτες του εισήγαγαν και δημοσίευσαν στο περιοδικό Επιστήμη το 2015, καταστέλλει το φαινόμενο Zeeman. «Με το φιλτράρισμα του βασικού συστατικού που καθιστά δυνατή τη συμβατική FFLO, παρέχουμε άφθονο χώρο στο μαγνητικό πεδίο για να παίξει τον άλλο ρόλο του, δηλαδή το τροχιακό φαινόμενο», λέει ο Ye.

«Αυτό που δείξαμε στην εργασία μας είναι ένα σαφές δακτυλικό αποτύπωμα της κατάστασης FFLO που οδηγείται από τροχιακό φαινόμενο στον υπεραγωγό μας Ising», εξηγεί ο Ye. «Πρόκειται για μια αντισυμβατική κατάσταση FFLO, που περιγράφηκε για πρώτη φορά θεωρητικά το 2017». Η κατάσταση FFLO στους συμβατικούς υπεραγωγούς απαιτεί εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες και πολύ ισχυρό μαγνητικό πεδίο, γεγονός που καθιστά δύσκολη τη δημιουργία. Ωστόσο, στον υπεραγωγό του Ye’s Ising, η κατάσταση επιτυγχάνεται με ασθενέστερο μαγνητικό πεδίο και σε υψηλότερες θερμοκρασίες.

Τρανζίστορ

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

Αυτή η νέα υπεραγώγιμη κατάσταση χρειάζεται περαιτέρω διερεύνηση. Ye: «Υπάρχουν πολλά να μάθουμε για αυτό. Για παράδειγμα, πώς επηρεάζει η κινητική ορμή τις φυσικές παραμέτρους; Η μελέτη αυτής της κατάστασης θα δώσει νέες γνώσεις για την υπεραγωγιμότητα. Και αυτό μπορεί να μας επιτρέψει να ελέγξουμε αυτήν την κατάσταση σε συσκευές όπως τα τρανζίστορ. Αυτή είναι η επόμενη πρόκληση μας».

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

Διαβάστε επίσης:Αποκαλύπτοντας το αινιγματικό φαινόμενο των μαγνητικών ακτίνων Χ

Μια νέα εποχή της έρευνας για την υπεραγωγιμότητα – Οι επιστήμονες ανακαλύπτουν υλικό «Goldilocks».

Ερευνητές του USC μεγεθύνουν το ανθρώπινο γονιδίωμα με άνευ προηγουμένου ανάλυση

Απάντηση