Gli scienziati scoprono uno sfuggente stato superconduttore previsto per la prima volta nel 2017

In un esperimento rivoluzionario, i ricercatori dell’Università di Groningen hanno collaborato con colleghi delle Università di Nijmegen e Twente nei Paesi Bassi e dell’Harbin Institute of Technology in Cina. Insieme, hanno confermato l’esistenza di uno stato superconduttore previsto per la prima volta nel 2017.

Le loro scoperte, che stabiliscono la prova di una forma unica dello stato FFLO superconduttore, sono state recentemente pubblicate sulla rivista natura. Questa svolta ha il potenziale per essere influente, in particolare nel campo dell’elettronica superconduttiva.

Questo è il Prof. Dr. Justin Yee, presidente del Device Physics Group for Complex Materials presso l’Università di Groningen nei Paesi Bassi, e autore principale del documento Nature sullo stato superconduttore di FFLO. Credito: Silvia Germes

L’autore principale dell’articolo è il professor Justin Yee, che dirige il gruppo Device Physics for Complex Materials presso l’Università di Groningen. Ye e il suo team hanno lavorato al caso dei superconduttori di Ising. Questo è un caso speciale che può resistere ai campi magnetici che distruggono la superconduttività in generale, e basta Il team lo ha descritto nel 2015.

Nel 2019, hanno creato Dispositivo costituito da un doppio strato di bisolfuro di molibdenoe può essere associato agli stati superconduttori di Ising presenti nei due strati. È interessante notare che il dispositivo che Ye e il suo team hanno creato rende possibile attivare o disattivare questa protezione utilizzando un campo elettrico, risultando in un transistor superconduttore.

sfuggente

Il doppio dispositivo superconduttore di Ising fa luce su una sfida di lunga data nel campo della superconduttività. Nel 1964, quattro scienziati (Fulde, Ferrell, Larkin e Ovchinnikov) predissero uno speciale stato superconduttore che può esistere in condizioni di bassa temperatura e forte campo magnetico, denominato stato FFLO.

Nella superconduttività standard, gli elettroni viaggiano in direzioni opposte come coppie di Cooper. Poiché si muovono alla stessa velocità, la quantità di moto totale di questi elettroni è zero. Tuttavia, nel caso di FFLO, c’è poca differenza di velocità tra gli elettroni nelle coppie di Cooper, il che implica un momento cinetico netto.

“Questo caso è molto sfuggente e ci sono solo pochi materiali che affermano di essere normali superconduttori”, dice Ye. Tuttavia, nulla di tutto ciò è conclusivo.

Questo diagramma di fase mostra l’esistenza di uno stato orbitale sei volte anisotropico, che occupa gran parte del diagramma di fase. Nell’angolo in alto a destra, le illustrazioni schematiche mostrano la modulazione spaziale del parametro dell’ordine superconduttivo. Credito: P. Wan/Università di Groningen

Per creare lo stato FFLO in un superconduttore convenzionale è necessario un forte campo magnetico. Ma il ruolo svolto dal campo magnetico deve essere messo a punto. In poche parole, affinché il campo magnetico svolga due ruoli, dobbiamo usare l’effetto Zeeman. Questo separa gli elettroni in coppie di Cooper in base alla loro direzione di rotazione (momento magnetico), ma non sull’effetto orbitale, l’altro ruolo che di solito distrugge la superconduttività.

“È una negoziazione delicata tra la superconduttività e il campo magnetico esterno”, spiega Yi.

impronta digitale

Il primo autore Buhua Wan ha prodotto campioni che soddisfacevano tutti i requisiti per dimostrare che esiste effettivamente una quantità di moto finita nelle coppie di Cooper. Credito: P. Wan/Università di Groningen

è la superconduttività, presentati da Ye e dai suoi collaboratori e pubblicati sulla rivista Scienze Nel 2015 ha soppresso l’effetto Zeeman. “Filtrando il componente chiave che rende possibile l’FFLO convenzionale, abbiamo liberato ampio spazio affinché il campo magnetico possa svolgere il suo altro ruolo, che è l’effetto orbitale”, afferma Ye.

“Quello che abbiamo mostrato nel nostro articolo è una chiara impronta dello stato FFLO guidato dall’effetto orbitale nel superconduttore di Ising”, spiega Yi. “Questo è un caso FFLO atipico, descritto per la prima volta teoricamente nel 2017”. Lo stato FFLO nei superconduttori convenzionali richiede temperature molto basse e campi magnetici molto forti, il che ne rende difficile la formazione. Tuttavia, nel superconduttore Ising di Ye, lo stato viene raggiunto con un campo magnetico più debole ea temperature più elevate.

transistor

In effetti, Yi ha notato per la prima volta i segni dello stato FFLO nel suo dispositivo superconduttore per il disolfuro di molibdeno nel 2019. “A quel tempo, non potevamo provarlo, perché i campioni non erano abbastanza buoni”, afferma Yi. Tuttavia, ha conseguito il dottorato di ricerca. Da allora lo studente Puhua Wan è riuscito a produrre campioni di materiale che soddisfacevano tutti i requisiti per dimostrare che esiste effettivamente una quantità di moto finita nelle coppie di Cooper. “Le prove effettive hanno richiesto sei mesi, ma l’analisi dei risultati ha aggiunto un altro anno”, afferma Ye. Wan è il primo autore del natura carta.

Questo nuovo stato superconduttore necessita di ulteriori indagini. Tu: “C’è molto da imparare al riguardo. Ad esempio, in che modo il momento cinetico influisce sui parametri fisici? Studiare questo stato fornirà nuove informazioni sulla superconduttività. Questo potrebbe consentirci di controllare questo stato in dispositivi come i transistor. Questa è la nostra prossima sfida.”

Riferimento: “Orbital Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov state in Ising superconductor” di 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