Manipulering af superledning ved hjælp af en mekaniker og en elektriker

I stærkt korrelerede materialer såsom cuprat højtemperatur superledere, superledning kan styres enten ved at ændre antallet af elektroner eller ved at ændre den kinetiske energi, eller overføre energi, af elektroner i systemet. Selvom et stort antal stærkt korrelerede materialer er blevet undersøgt med forskellige parametre for at forstå superledningsmekanismen, rækkevidden af ​​parameterstyring er altid begrænset. En alsidig eksperimentel metode til at opnå samtidig kontrol af antallet og overførselsenergien af ​​elektronerne har længe været ønsket.

En fleksibel elektrisk dobbeltlagstransistor (EDLT), eller "korreleret" transistor, sammensat af et organisk stærkt korreleret materiale blev konstrueret (fig. 1) af forskere ved RIKEN, Institut for Molekylær Videnskab (IMS), Nagoya Universitet og Toho Universitet. Antallet af elektroner kan styres af gatespændinger i EDLT, og overførselsenergien af ​​elektroner kan styres ved at bøje EDLT-substratet. De fandt ud af, at systemet ændrede sig fra en isolator til en superleder i begge tilfælde med stigende og faldende elektrontal. Betingelser for disse superledende tilstande i de to ovennævnte tilfælde, imidlertid, viste sig at være fundamentalt anderledes. Ud over, en anden superledende tilstand opstod, da substratet blev bøjet. Det nuværende resultat blev offentliggjort online d Videnskabens fremskridt den 10. maj, 2019.

Forskere fremstillede EDLT ved hjælp af en krystal af det organiske stærkt korrelerede materiale fremstillet af BEDT-TTF (bis(ethylenedithio)tetrathiafulvalene) molekyler (fig. 1). Ved at påføre gate-spændingen på overfladen af ​​krystallen, antallet af elektroner kan øges (elektron-doping) og mindskes (hul-doping). Denne EDLT-enhed er fleksibel, og overførselsenergien kan styres ved at påføre mekanisk kraft (belastning) fra bagsiden af ​​EDLT. Forskerne kontrollerede med succes superledning i en identisk prøve, ved præcist at ændre både gate-spændingen og belastningen.

Figur 2 viser regionerne af superledende tilstande. Abscissen viser gatespændingen, hvilket svarer til antallet af dopede elektroner. Ordinaten viser belastningen påført enheden ved bøjning. Med at gå ned langs ordinaten, elektronerne bevæger sig lettere, fordi elektronernes kinetiske energi øges. Området i den isolerende tilstand (rød) er omgivet af regionerne med superledende tilstande (blå). To superledende områder i venstre og højre side af det isolerende område er væsentligt forskellige i form på fig. 2. Især den superledende tilstand optrådte med et stigende antal elektroner (højre side på fig. 2) viser en bemærkelsesværdig adfærd, at tilstanden dukkede pludselig op med et par procents stigning af antallet af elektroner og forsvandt med en tilføjelse af overskydende elektroner. De superledende tilstande kan opnås både ved at øge og ved at reducere elektrontal. Imidlertid, kendetegnene ved de to stater viser sig at være fundamentalt forskellige.

Det todimensionelle fasediagram (fig. 2) blev således opnået under anvendelse af den enkelte prøve. Diagrammet viser arten af ​​den superledende faseovergang, hvilket er blevet forventet ud fra data indsamlet fra mange forskellige prøver, før denne enhed vises. Derfor accelererer denne nyudviklede eksperimentelle metode for at opnå fasediagrammerne. Mere grundlæggende, at tegne fuldfasediagrammet fra den samme prøve gør det muligt for os at opnå mere pålidelige resultater uanset virkningerne af urenheder og forskelle i krystalstrukturer.

Denne eksperimentelle metode kan anvendes på forskellige organiske stærkt korrelerede materialer. Et interessant eksempel er kvantespinvæsken, i hvilken retningerne af elektronspin bevæger sig tilfældigt selv ved 0 Kelvin. Eksperimenter med kvantespinvæsken vil afsløre forholdet mellem superledning og magnetisme (arrangement af elektronspin). Det er også bemærkelsesværdigt, at fasediagrammet for stærkt korrelerede elektronsystem er et væsentligt mål for kvantesimulatorer. Det foreliggende resultat giver en mulig standardløsning for de nyudviklede beregningsmetoder.