Lagkage 2-D superledningsevne:Udvikling af ren 2-D superledningsevne i en bulk van der Waals supergitter

Superledende fasediagram over Ba6Nb11S28. (A) Overskydende ledningsevne i forhold til normal tilstand ds (m0H, T) for feltvinkler q nær ab-planet (q =90 °). (B) Forskel mellem ds (m0H, T) for q =90 ° og q =84 °. Temperaturaksen normaliseres til TBKT. Den grønne kurve repræsenterer 2D Ginzburg-Landau (2D-GL) modellen af m0Hc2. (C) Vinkelafhængighed af m0Hc2 ved T/TBKT =0,3 (orange) og m0Hc2 ved T/TBKT =0,8 (grøn, forstørret med en faktor 3). Indsats:Skematisk afbildning af m0Hc2 i et rent 2D -system, hvor der forventes en forbedring inden for et kritisk område | q - 90 ° | HP (mørkeblå hel linje). Teoretiske undersøgelser af 2D FFLO superledere forudsiger yderligere en kaskade af magnetiske hvirveltilstande, der fremstår som en korrugering af m0Hc2 (q) inden for dette regime (37) (rød stiplet linje). Kredit:Videnskab, doi:10.1126/science.aaz6643

Materialevidenskaben har haft en dybtgående historisk indvirkning på menneskeheden siden jern- og bronzealderens fremkomst. I øjeblikket, materialeforskere fascineres af en klasse materialer kendt som kvantematerialer, hvis elektroniske eller magnetiske adfærd ikke kan forklares med klassisk fysik. Opdagelser inden for kvantematerialer efterfølges af en strøm af forskning for at afdække ny fysik eller kvanteinformation i videnskaben. I en ny rapport nu offentliggjort den Videnskab , A. Devarakonda og et team af forskere i fysik ved Massachusetts Institute of Technology, Harvard University og Riken Center for Emergent Matter Science i USA og Japan rapporterede syntesen af et meget interessant romankvantemateriale.

Konstruktionen kan tillade fysikere at studere uklare kvanteeffekter, der hidtil har været ukendte. I dette studie, teamet udviklede en bulk supergitter indeholdende overgangsmetal dichalcogenid (TMD) superleder 2H-niobium disulfid (2H-NbS _2, 2H-fase) for at generere forbedret todimensionel (2-D), højelektronisk kvalitet og ubegrænset uorganisk superledning.

Superledning

Superledelse kan hypotetisk tillade højhastighedsapplikationer uden strømtab og bidrage til udviklingen af koncepter som f.eks. Svævning af eksprestog. Forskere kan delvist realisere sådanne applikationer i øjeblikket ved hjælp af materialer, der superleder ved høje nok temperaturer og bruger 2-D materialer til at forenkle problemer, samtidig fremhæve fysikken bag superledning. Tidlige eksperimentelle værker med granuleret aluminium (Al) og amorft bismut (Bi) film viste 2-D superledningsevne ved præcist at kontrollere den superledende lagtykkelse, som senere blev brugt i banebrydende undersøgelser. Disse omfatter overgangen Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT); et tidligt eksempel, der beskriver den topologiske overgang, som fysikeren modtog Nobelprisen i fysik i 2016.

Kvantesvingninger og elektronisk struktur af Ba6Nb11S28. (A) Magnetoresistans som funktion af vinkelret felt ved temperatur T =0,39 K for forskellige feltrotationsvinkler q (geometri defineret som vist i indsatsen). Kurver forskydes lodret med 150% af MR for klarhed. (B og C) Lavfrekvensområde (B) og fuldt område (C) for kvanteoscillationsamplitude FFT som funktion af vinkelret frekvens F cos (q). FFT-amplituderne for de højere frekvenslommer multipliceres med 25. (D) DFT-beregning af monolags H-NbS2 Fermi-overflader inklusive spin-orbit-kobling (17). (E) Afbildning af zonefoldningsskema, der involverer 3 × 3-overbygningen pålagt af Ba3NbS5-bloklaget, hvor den reducerede Brillouin-zone er omsluttet af den markerede linje. (F) Elektronisk struktur af zonefoldet monolag H-NbS2 med eksperimentelt observerede Fermi-overfladetværsnit trukket i skala som faste cirkler. Den sorte boks svarer til 0,01 Å – 2. Kredit:Videnskab, doi:10.1126/science.aaz6643

Parallelt, forskere har også undersøgt anisotrop bulk-superledningsevne for at forstå den superledende tilstand i forbindelse med 2-D supraledelse, som omfatter overgangsmetaldichalcogenider (TMD'er), dvs. atomtynde halvledere af typen MX ₂ hvor M er et overgangsmetal og X er et chalcogenatom (gruppe 16 elementer i det periodiske system). Nylige fremskridt inden for materialeteknik har også vist muligheden for at eksfoliere van der Waals (vdW) lagdelte materialer for at gøre det muligt at få atomtynde 2-D superledere let tilgængelige. Imidlertid, sådanne flager af eksfoliering kan nedbrydes, reducere prøvekvaliteten. Devarakonda et al. brugte derfor 2H-NbS af høj kvalitet ₂ (2H-niobiumdisulfid) monolag i dette arbejde med en ren-limit 2-D superleder, der udviser en BKT (Berezinskii-Kosterlitz-Thouless) overgang. De syntetiserede derefter yderligere et enkelt krystal materiale; Ba ₆ Nb ₁₁ S ₂₈ ved hjælp af H-NbS af høj kvalitet ₂ monolag og Ba ₃ NbS ₅ blokere lag, inden for hvilken TMD -lagene var stærkt afkoblet.

Udvikling og karakterisering af lagkagen

Devarakonda et al. lavede derfor det resulterende materiale (Ba ₆ Nb ₁₁ S ₂₈ ) så ren som muligt for at studere den rene fysik i 2-D superledningsevne. Opdagelsen af ren 2-D superledningsevne i Ba ₆ Nb ₁₁ S ₂₈ vil åbne døren for bedre at forstå 2-D-superledning i forbindelse med kvantefænomener. Materialet indeholdt skiftevis lag af 2-D superlederen NbS ₂ og et elektronisk uinteressant afstandsstykke Ba ₃ NbS ₅ - meget gerne en lagkage med et tyndt lag chokolade (dvs. NbS ₂ ) mellem tykkere lag kage (dvs. afstandsstykket). Lagdelingen beskyttede NbS ₂ lag fra revner eller eksponering for luft/fugt for at muliggøre meget renere 2-D superledningsevne. Teamet brugte højvinklet ringformet mørkfeltscanningstransmissionselektronmikroskopi (HAADF-STEM) til at undersøge den resulterende struktur. Materialet viste en ren-grænse 2-D superleder, der udviste en BKT-overgang ved T _BKT =0,82 K og fremtrædende 2-D Shubnikov-de Haas (SdH) kvantesvingninger; en makroskopisk manifestation af materiens iboende kvantekarakter.

2D -superledning og Pauli -grænsebrud i Ba6Nb11S28. (A) Strømspændingsegenskaber I (V) fra T =0,95 K til T =0,28 K. Indsatsen viser udviklingen af effektloven V º I a; den vandrette linje markerer a =3. (B) Longitudinal resistivitet som funktion af felt m0H for forskellige værdier af q. Kurver forskydes lodret med 20 mW · cm for klarhed (vandrette linjer). Lodrette flåter adskiller regioner målt med lav strøm (7 mA) og højere strøm (70 mA) for at undgå undertrykkelse af superledning ved Joule -opvarmning. For q =80 ° og 90 °, der bruges kun lav strøm. (C) Vinkelafhængighed af øvre kritiske felt m0Hc2 målt ved T =0,28 K med passer til 2D-Tinkham-modellen, beregnet ved hjælp af data i området | q - 90 ° | <1,7 ° (lilla kurve) og | q - 90 ° |> 1,7 ° (sort kurve), henholdsvis. Indsatsen viser en detaljeret visning nær q =90 °, hvor en forbedring af m0Hc2 (q) observeres over Pauli -grænsen m0HP. Kredit:Videnskab, doi:10.1126/science.aaz6643

Egenskaber ved det nye kvantemateriale

Ved hjælp af magnetotransportmålinger, Devarakonda et al. viste materialets renhed og yderligere beviser for 2-D elektronisk arkitektur. Resultaterne var kvalitativt forskellige fra udgangsmaterialet 2H-NbS ₂ , som fastholdt skæve og elliptiske Fermi -overflader i sin elektroniske struktur. Selvom der endnu ikke var blevet rapporteret kvantesvingninger i 2H-NbS ₂ , holdet noterede begyndelsen på Shubnikov-de Haas (SdH) kvantesvingninger i Ba ₆ Nb ₁₁ S ₂₈ inden for magnetfelter mellem 2 og 3 Tesla for at angive kvantemobilitet. Forskerne analyserede kvantesvingninger og lavfeltmagnetoresistens af Ba ₆ Nb ₁₁ S ₂₈ , som placerede materialerne i den rene grænse for superledning.

Skiftende lag af superledende NbS2 og en Ba3NbS5 afstandsstykker tillader høj elektronmobilitet i NbS2 og beskytter den også. Dette skaber en "lagkage" -lignende struktur, der tillader ren superledende adfærd. Kredit:Videnskab, doi:10.1126/science.abd4225

De registrerede også materialets strøm/spændingskarakteristika på tværs af den superledende overgang. Ud over den observerede BKT -overgang, værket viste udseendet af en ren, 2-D superledende tilstand med forbedret stabilitet, som Devarakonda et al. krediteret NbS 'høje renhed ₂ lag i Ba ₆ Nb ₁₁ S ₂₈ . Da hovedparten Ba ₆ Nb ₁₁ S ₂₈ materiale, der allerede vises 2-D fysik, forskergruppen foreslog oprindeligt den nu kendte proces med at indsætte afstandsstykkelagene i stedet for at fremstille eksfolierede nanodeapparater beskrevet i tidligere arbejde. Teamet noterede sig også mulighederne for at funktionalisere afstandsstykket ved at indføre magnetiske bestanddele. På denne måde, den store elektroniske gennemsnitlige frie sti (gennemsnitsafstand tilbagelagt af en bevægelig partikel) af Ba ₆ Nb ₁₁ S ₂₈ tillod ren-grænse super-ledningsevne til potentielt at realisere ukonventionelle faser som forudsagt i monolags superledere.

2D superledning og Ba6Nb11S28. (A) Undersøgelse af superledende materialer karakteriseret ved anisotropi af det øvre kritiske felt Hc c2 =Hab c2 og forholdet mellem Pippard -kohærenslængden og den frie vej. Grænsen mellem de rene og snavsede grænser er vist som en vandret linje. (B) krystalstruktur af H-MX2 projiceret på ab-planet. Manglende inversionssymmetri illustreres af de manglende chalcogen (X) inversionspartnere (stiplede cirkler). (C) ab-plane spejlsymmetri i monolag H-MX2 kan brydes af substrater eller lokale felter (∇U). (D) Afbildning af momentum rum spin-kredsløb tekstur for monolags H-MX2 med varierende grader af Ising og Rashba kobling. (E) HAADF-STEM billede af Ba6Nb11S28 taget langs aksen (skala bar, 1 nm). En simulering af modelstrukturen er overlejret med en enhedscelle skraveret i grønt. Ba, Nb, og S -atomer er afbildet som blå, rød, og gule cirkler, henholdsvis. (F) Resistivitet som funktion af temperaturen i Ba6Nb11S28, der viser den superledende overgang. Øvre indsats:Forstørret billede af overgangen) og magnetisk følsomhed 4pcc målt med nulfeltkøling (ZFC) og feltkøling (FC). Nedre indsats:H-NbS2 lag og spejlsymmetri, der bryder Ba3NbS5 bloklag. Kredit:Videnskab, doi:10.1126/science.aaz6643

Virkningen af det nye kvantemateriale

Materialets iboende skønhed forbliver i heterostrukturens naturlige vækst, som meget gerne en lagkage naturligt adskilt under synteseprocessen. Dette tillod den syntetiske proces at være meget mindre arbejdskrævende i forhold til den manuelle tilføjelse af hvert lag. Den lette syntese kan muliggøre udvikling af forskellige typer lagdelte materialer, hvor 2-D-lagene er naturligt beskyttet af deres miljø. Teknikken kan give forskellige typer kvantematerialer bortset fra superledere, herunder topologiske isolatorer egnet til kvanteberegning. Den nye opdagelse tillader en enklere, alternativ tilgang til den eksisterende proces med eksfolieret nanodannelsesfremstilling. A. Devarakonda og kolleger forestiller sig at udvide denne strategi til at omfatte andre materialer ud over Ba ₆ Nb ₁₁ S ₂₈ detaljeret her.

Sidste artikelForskergruppen opdager en unik kvanteeffekt ved sletning af information

Næste artikelKlassificerede knob:Forskere skaber optiske indrammede knob for at kode information