Ученые обнаружили неуловимое сверхпроводящее состояние, впервые предсказанное в 2017 году

Ученые из Университета Гронингена и их международные партнеры подтвердили существование сверхпроводящего состояния FFLO, которое было теоретически предсказано в 2017 году. Их устройство, использующее двойной слой дисульфида молибдена для управления этим состоянием, может значительно продвинуть вперед область сверхпроводящей электроники.

В новаторском эксперименте исследователи из Гронингенского университета сотрудничали с коллегами из университетов Неймегена и Твенте в Нидерландах и Харбинского технологического института в Китае. Вместе они подтвердили существование сверхпроводящего состояния, которое впервые было предсказано в 2017 году.

Их результаты, подтверждающие существование уникальной формы сверхпроводящего состояния FFLO, были недавно опубликованы в журнале природа. Этот прорыв может оказать влияние, особенно в области сверхпроводящей электроники.

Это профессор доктор Джастин Йи, председатель группы физики устройств для сложных материалов в Гронингенском университете в Нидерландах и ведущий автор статьи в Nature о сверхпроводящем состоянии FFLO. Кредит: Сильвия Гермес

Ведущим автором статьи является профессор Джастин Йи, возглавляющий группу физики сложных материалов в Университете Гронингена. Йе и его команда работали над случаем сверхпроводимости Изинга. Это частный случай, способный сопротивляться магнитным полям, разрушающим сверхпроводимость вообще, и на этом все. Команда описала это в 2015 году..

В 2019 году они создали Устройство, содержащее двойной слой дисульфида молибденаe может быть связано с изинговскими сверхпроводящими состояниями, присутствующими в двух слоях. Интересно, что устройство, созданное Е и его командой, позволяет включать и выключать эту защиту с помощью электрического поля, в результате чего получается сверхпроводящий транзистор.

Неуловимый

Двойное сверхпроводящее устройство Изинга проливает свет на давнюю проблему в области сверхпроводимости. В 1964 году четверо ученых (Фулде, Феррелл, Ларкин и Овчинников) предсказали особое сверхпроводящее состояние, которое может существовать в условиях низкой температуры и сильного магнитного поля, получившее название FFLO-состояние.

В стандартной сверхпроводимости электроны движутся в противоположных направлениях, как куперовские пары. Поскольку они движутся с одинаковой скоростью, общий импульс этих электронов равен нулю. Однако в случае FFLO разница в скорости между электронами в куперовских парах незначительна, что подразумевает чистый кинетический импульс.

«Этот случай очень неуловим, и есть лишь несколько материалов, которые претендуют на звание обычных сверхпроводников», — говорит Йе. Однако ничто из этого не является окончательным.

Эта фазовая диаграмма показывает существование анизотропного шестикратного орбитального состояния, которое занимает большую часть фазовой диаграммы. В правом верхнем углу на схематических иллюстрациях показана пространственная модуляция сверхпроводящего параметра порядка. Предоставлено: П. Ван/Университет Гронингена.

Для создания состояния FFLO в обычном сверхпроводнике необходимо сильное магнитное поле. Но роль, которую играет магнитное поле, нуждается в тонкой настройке. Проще говоря, чтобы магнитное поле играло две роли, нам нужно использовать эффект Зеемана. Это разделяет электроны на куперовские пары в зависимости от направления их вращения (магнитного момента), но не за счет орбитального эффекта — другой роли, которая обычно разрушает сверхпроводимость.

«Это деликатное взаимодействие между сверхпроводимостью и внешним магнитным полем», — объясняет Йи.

отпечаток пальца

Первый автор Бухуа Ван создал образцы, отвечающие всем требованиям, чтобы продемонстрировать, что в куперовских парах действительно существует конечный импульс. Предоставлено: П. Ван/Университет Гронингена.

сверхпроводимости, которые были представлены Е и его сотрудниками и опубликованы в журнале наук В 2015 году он подавил эффект Зеемана. «Отфильтровав ключевой компонент, который делает возможным обычный FFLO, мы освободили достаточно места для магнитного поля, которое может играть другую роль — орбитальный эффект», — говорит Йе.

«То, что мы показали в нашей статье, является четким отпечатком управляемого орбитальным эффектом состояния FFLO в изинговском сверхпроводнике», — объясняет Йи. «Это нетипичный случай FFLO, впервые теоретически описанный в 2017 году». Состояние FFLO в обычных сверхпроводниках требует очень низких температур и очень сильных магнитных полей, что затрудняет его формирование. Однако в изинговском сверхпроводнике Йе состояние достигается при более слабом магнитном поле и при более высоких температурах.

транзисторы

На самом деле Йи впервые заметил признаки состояния FFLO в своем сверхпроводящем устройстве для дисульфида молибдена в 2019 году. «В то время мы не могли это доказать, потому что образцы были недостаточно хороши», — говорит Йи. Тем не менее, он получил докторскую степень. С тех пор студенту Пухуа Вану удалось создать образцы материала, отвечающие всем требованиям, чтобы показать, что в куперовских парах действительно существует конечный импульс. «Реальные испытания заняли полгода, но анализ результатов добавил еще год», — говорит Е. Ван является первым автором природа бумага.

Это новое сверхпроводящее состояние требует дальнейшего изучения. Вы: «Об этом нужно многое узнать. Например, как кинетический импульс влияет на физические параметры? Изучение этого состояния позволит по-новому взглянуть на сверхпроводимость. Это может позволить нам управлять этим состоянием в таких устройствах, как транзисторы. Это наша следующая задача».

Ссылка: «Орбитальное состояние Фульде-Феррелла-Ларкина-Овчинникова в изинговском сверхпроводнике» Пухуа Ван, Александр Желюк, Ной Ф. К. Юань, Сяоли Пэн, Ле Чжан, Минпэн Лян, Ули Цейтлер, Штеффен Видманн, Найджел Э. природа.
DOI: 10.1038/s41586-023-05967-z