Superstrømme er blevet chirale:ny type superledende forbindelse

Ukonventionelle superledere udgør et af fysikkens store mysterier. Blandt dem er strontiumruthenat, der skiller sig ud som en kontroversiel superleder. Under sin ph.d. Leiden-fysiker Kaveh Lahabi har givet ny indsigt i arten af ​​superledning i dette materiale, fører til en ny type superledende kryds. Lahabi opnåede sin ph.d. cum laude.

Lige siden Heike Kamerlingh Onnes opdagede superledning i Leiden i 1911, fysikere har forsøgt at finde ud af, hvorfor nogle materialer leder elektricitet uden nogen modstand. I 1957, Bardeen, Cooper og Schrieffer udviklede den første teori om, hvordan superledning fungerer på mikroskopisk niveau ved at parre elektroner. I de følgende årtier dog der blev fundet nye superledere, som ikke kunne beskrives med denne teori. Disse omtales som ukonventionelle superledere, heriblandt strontiumruthenat (Sr ₂ RuO ₄ ) skiller sig ud som en af ​​de mest kontroversielle. Dette skyldes, at elektronparrene ved den superledende overgang ser ud til at gøre noget ret usædvanligt:​​deres elektroner begynder spontant at kredse om hinanden.

Chirale domæner

Da de parrede elektroners orbitale bevægelse kan være enten med uret eller mod uret, teoretikere har foreslået, at superlederen spontant deler sig i domæner, hvor alle elektronerne har den samme orbitale bevægelse - chirale domæner. På trods af talrige bestræbelser i de sidste to årtier, sådanne domæner er aldrig blevet observeret direkte. Under sin ph.d. Leiden fysiker Kaveh Lahabi har, i et samarbejde med en gruppe fra Kyoto Universitet, gav for første gang stærke beviser for eksistensen af ​​såkaldte chirale domæner-vægge - grænsen mellem to chirale domæner.

Domænevæg som knudepunkt

Lahabi med sin supervisor Jan Aarts og Kyoto-teamet fandt ud af, at en chiral domænevæg kunne fungere som en usædvanlig type Josephson-kryds, som traditionelt består af to superledere adskilt af et svagt led. I konventionel elektronik, elektroner drives af en potentialforskel, for eksempel gennem et batteri. I superledere dog intet elektrisk felt kan eksistere, og der kan ikke være nogen potentiel forskel. I stedet, en superledende strøm drives af forskellen i den kvantemekaniske fase (ϕ) af superledere, som normalt induceres af en ekstern stimulus såsom et magnetfelt.

Ved en chiral domænevæg, en superstrøm kan flyde, selv når der ikke er nogen ekstern stimulus til stede. Forbindelserne fundet i strontiumruthenat af Lahabi og hans kolleger viser signaturer på en iboende faseforskel (0 <ϕ <π), hvilket ville resultere i en spontan strøm, der flyder mellem tilstødende chirale domæner. Et sådant kryds kan have evnen til at lagre superstrømme og tjene som et superledende "batteri, " med fremtidige applikationer såsom superledende hukommelse og kvanteberegning.