Вчені виявили існування невловимого надпровідного стану

У революційному експерименті дослідники з Університету Гронінгена співпрацювали зі своїми колегами з університетів Неймегена та Твенте в Нідерландах і Харбінського технологічного інституту в Китаї. Разом вони підтвердили існування надпровідного стану, який вперше було передбачено в 2017 році.

Їхні висновки, які демонструють докази унікальної форми надпровідного стану FFLO, нещодавно були опубліковані в журналі Nature  Цей прорив може бути вагомим, особливо в галузі надпровідної електроніки.

Провідним автором статті є професор Джастін Є, який очолює групу фізики пристроїв складних матеріалів в Університеті Гронінгена. Є та його команда працювали над надпровідним станом Ізінга. Це особливий стан, який може протистояти магнітним полям, які зазвичай руйнують надпровідність, і це було  описано командою в 2015 році.

У 2019 році вони створили  пристрій, що містить подвійний шар дисульфіду молібдену e, який міг би з’єднати стани надпровідності Ізінга, що знаходяться в двох шарах. Цікаво, що пристрій, створений Є та його командою, дозволяє вмикати або вимикати цей захист за допомогою електричного поля, в результаті чого утворюється надпровідний транзистор.

Невловимий

Сполучений надпровідник Ізінга проливає світло на давню проблему в галузі надпровідності. У 1964 році четверо вчених (Фульде, Феррелл, Ларкін і Овчинніков) передбачили особливий надпровідний стан, який може існувати в умовах низької температури і сильного магнітного поля, який називається станом FFLO.

У стандартній надпровідності електрони рухаються в протилежних напрямках як пари Купера. Оскільки вони рухаються з однаковою швидкістю, загальний кінетичний імпульс цих електронів дорівнює нулю. Однак у стані FFLO існує невелика різниця швидкостей між електронами в парах Купера, що означає, що існує чистий кінетичний момент.

«Цей стан дуже невловимий, і є лише кілька статей, які стверджують його існування в нормальних надпровідниках», — говорить Є. «Однак жодне з них не є остаточним».

Ця фазова діаграма зображує наявність шестикратного анізотропного орбітального стану FFLO, який займає значну частину фазової діаграми. У верхньому правому куті схематичні ілюстрації демонструють просторову модуляцію надпровідного параметра порядку. Авторство: П. Ван / Університет Гронінгена

Щоб створити стан FFLO у звичайному надпровіднику, потрібне сильне магнітне поле. Але роль, яку відіграє магнітне поле, потребує ретельного налаштування. Простіше кажучи, щоб магнітне поле відігравало дві ролі, нам потрібно використовувати ефект Зеемана. Це розділяє електрони в куперівських парах на основі напрямку їхніх спінів (магнітного моменту), але не на основі орбітального ефекту — іншої ролі, яка зазвичай руйнує надпровідність.

«Це делікатна взаємодія між надпровідністю та зовнішнім магнітним полем», — пояснює Є.

Відбиток пальця

Надпровідність Ізінга, яку Є та його співробітники представили та опублікували в журналі  Science у 2015 році, пригнічує ефект Зеемана. «Відфільтрувавши ключовий інгредієнт, який робить можливим звичайний FFLO, ми забезпечили достатній простір для виконання іншої ролі магнітного поля, а саме орбітального ефекту», — каже Є.

«Те, що ми продемонстрували в нашій статті, — це чіткий відбиток керованого орбітальним ефектом стану FFLO в нашому надпровіднику Ізінга», — пояснює Є. «Це нетрадиційний стан FFLO, вперше описаний теоретично в 2017 році». Стан FFLO у звичайних надпровідниках вимагає надзвичайно низьких температур і дуже сильного магнітного поля, що ускладнює його створення. Однак у надпровіднику Йе Ізінга стан досягається з слабшим магнітним полем і при вищих температурах.

Транзистори

Насправді Є вперше спостерігав ознаки стану FFLO у своєму надпровідному пристрої з дисульфіду молібдену в 2019 році. «Тоді ми не могли це довести, оскільки зразки були недостатньо хорошими», — каже Є. Однак його докторська дисертація Відтоді студенту Пухуа Вану вдалося створити зразки матеріалу, які відповідають усім вимогам, щоб показати, що в парах Купера дійсно існує кінцевий імпульс. «Фактичні експерименти зайняли півроку, але аналіз результатів додав ще рік», — каже Є. Ван є першим автором статті Nature  .

Цей новий надпровідний стан потребує подальшого дослідження. Є: «Про це можна багато дізнатися. Наприклад, як кінетичний момент впливає на фізичні параметри? Вивчення цього стану дасть нові знання про надпровідність. І це може дозволити нам контролювати цей стан у таких пристроях, як транзистори. Це наш наступний виклик». Джерело