Wissenschaftler entdecken einen schwer fassbaren supraleitenden Zustand, der erstmals 2017 vorhergesagt wurde

Wissenschaftler der Universität Groningen und ihre internationalen Partner haben die Existenz eines supraleitenden Zustands, FFLO, bestätigt, der 2017 theoretisch vorhergesagt wurde. Ihr Gerät, das eine Doppelschicht aus Molybdändisulfid zur Steuerung dieses Zustands verwendet, kann das Gebiet der supraleitenden Elektronik erheblich voranbringen.

In einem bahnbrechenden Experiment arbeiteten Forscher der Universität Groningen mit Kollegen der Universitäten Nijmegen und Twente in den Niederlanden sowie des Harbin Institute of Technology in China zusammen. Gemeinsam bestätigten sie die Existenz eines supraleitenden Zustands, der erstmals 2017 vorhergesagt wurde.

Ihre Ergebnisse, die Beweise für eine einzigartige Form des supraleitenden FFLO-Zustands liefern, wurden kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Natur. Dieser Durchbruch hat das Potenzial, insbesondere auf dem Gebiet der supraleitenden Elektronik einflussreich zu sein.

Dies ist Prof. Dr. Justin Yee, Vorsitzender der Device Physics Group for Complex Materials an der Universität Groningen in den Niederlanden und Hauptautor des Nature-Artikels über den supraleitenden Zustand von FFLO. Bildnachweis: Sylvia Germes

Der Hauptautor des Papiers ist Professor Justin Yee, der die Gruppe „Gerätephysik für komplexe Materialien“ an der Universität Groningen leitet. Ye und sein Team haben am Ising-Supraleitungsfall gearbeitet. Dies ist ein Sonderfall, der den Magnetfeldern widerstehen kann, die die Supraleitung im Allgemeinen zerstören, und das war’s Das Team beschrieb es im Jahr 2015.

Im Jahr 2019 gründeten sie Vorrichtung bestehend aus einer Doppelschicht aus Molybdändisulfide kann mit den in den beiden Schichten vorhandenen supraleitenden Ising-Zuständen in Verbindung gebracht werden. Interessanterweise ermöglicht das von Ye und seinem Team entwickelte Gerät das Ein- und Ausschalten dieses Schutzes mithilfe eines elektrischen Felds, was zu einem supraleitenden Transistor führt.

Schwer fassbar

Isings doppeltes supraleitendes Gerät wirft Licht auf eine seit langem bestehende Herausforderung auf dem Gebiet der Supraleitung. Im Jahr 1964 sagten vier Wissenschaftler (Fulde, Ferrell, Larkin und Ovchinnikov) einen besonderen supraleitenden Zustand voraus, der unter Bedingungen niedriger Temperatur und eines starken Magnetfelds existieren kann und als FFLO-Zustand bezeichnet wird.

In der Standard-Supraleitung bewegen sich Elektronen als Cooper-Paare in entgegengesetzte Richtungen. Da sie sich mit gleicher Geschwindigkeit bewegen, ist der Gesamtimpuls dieser Elektronen Null. Im Fall von FFLO gibt es jedoch kaum einen Geschwindigkeitsunterschied zwischen den Elektronen in den Cooper-Paaren, was auf einen kinetischen Nettoimpuls schließen lässt.

„Dieser Fall ist sehr schwer zu fassen und es gibt nur wenige Materialien, die behaupten, gewöhnliche Supraleiter zu sein“, sagt Ye. Allerdings ist nichts davon schlüssig.

Dieses Phasendiagramm zeigt die Existenz eines anisotropen sechsfachen Orbitalzustands, der einen großen Teil des Phasendiagramms einnimmt. In der oberen rechten Ecke zeigen die schematischen Darstellungen die räumliche Modulation des supraleitenden Ordnungsparameters. Bildnachweis: P. Wan/Universität Groningen

Um den FFLO-Zustand in einem herkömmlichen Supraleiter zu erzeugen, ist ein starkes Magnetfeld erforderlich. Doch die Rolle des Magnetfeldes muss noch fein abgestimmt werden. Einfach ausgedrückt: Damit das Magnetfeld zwei Rollen spielt, müssen wir den Zeeman-Effekt nutzen. Dadurch werden die Elektronen auf der Grundlage ihrer Spinrichtung (magnetisches Moment) in Cooper-Paare aufgeteilt, nicht jedoch auf der Grundlage des Orbitaleffekts – der anderen Rolle, die normalerweise die Supraleitung zerstört.

„Es ist eine heikle Auseinandersetzung zwischen Supraleitung und dem externen Magnetfeld“, erklärt Yi.

Fingerabdruck

Der Erstautor Buhua Wan produzierte Proben, die alle Anforderungen erfüllten, um zu zeigen, dass es in Cooper-Paaren tatsächlich einen endlichen Impuls gibt. Bildnachweis: P. Wan/Universität Groningen

ist Supraleitung, die von Ye und seinen Mitarbeitern vorgestellt und in der Zeitschrift veröffentlicht wurden Wissenschaften 2015 unterdrückte er den Zeeman-Effekt. „Indem wir die Schlüsselkomponente herausgefiltert haben, die herkömmliches FFLO ermöglicht, haben wir ausreichend Platz geschaffen, damit das Magnetfeld seine andere Rolle spielen kann, nämlich den Orbitaleffekt“, sagt Ye.

„Was wir in unserer Arbeit gezeigt haben, ist ein deutlicher Abdruck des durch den Orbitaleffekt gesteuerten FFLO-Zustands im Ising-Supraleiter“, erklärt Yi. „Dies ist ein atypischer FFLO-Fall, der erstmals 2017 theoretisch beschrieben wurde.“ Der FFLO-Zustand in herkömmlichen Supraleitern erfordert sehr niedrige Temperaturen und sehr starke Magnetfelder, was seine Bildung erschwert. Im Ye-Ising-Supraleiter wird dieser Zustand jedoch bei einem schwächeren Magnetfeld und bei höheren Temperaturen erreicht.

Transistoren

Tatsächlich bemerkte Yi 2019 erstmals Anzeichen des FFLO-Zustands in seinem supraleitenden Gerät für Molybdändisulfid. „Damals konnten wir es nicht nachweisen, weil die Proben nicht gut genug waren“, sagt Yi. Allerdings hat er seinen Ph.D. Dem Studenten Puhua Wan ist es seitdem gelungen, Materialproben herzustellen, die alle Anforderungen erfüllten, um zu zeigen, dass es in Cooper-Paaren tatsächlich einen endlichen Impuls gibt. „Die eigentlichen Versuche dauerten ein halbes Jahr, aber die Analyse der Ergebnisse fügte ein weiteres Jahr hinzu“, sagt Ye. Wan ist der erste Autor des Natur Papier.

Dieser neue supraleitende Zustand bedarf weiterer Untersuchungen. Sie: „Es gibt viel darüber zu lernen. Wie wirkt sich beispielsweise der kinetische Impuls auf physikalische Parameter aus? Die Untersuchung dieses Zustands wird neue Einblicke in die Supraleitung liefern. Dies könnte es uns ermöglichen, diesen Zustand in Geräten wie Transistoren zu steuern. Das ist unsere nächste Herausforderung.“

Referenz: „Orbitaler Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov-Zustand im Ising-Supraleiter“ von Puhua Wan, Oleksandr Zheliuk, Noah FQ Yuan, Xiaoli Peng, Le Zhang, Minpeng Liang, Uli Zeitler, Steffen Wiedmann, Nigel E. Natur.
DOI: 10.1038/s41586-023-05967-z