Superledningsevne, høj kritisk temperatur fundet i 2D semimetal wolframnitrid

Superledning i todimensionelle (2D) systemer har tiltrukket sig stor opmærksomhed i de senere år, både på grund af dets relevans for vores forståelse af grundlæggende fysik og på grund af potentielle teknologiske anvendelser i nanoskalaenheder såsom kvanteinterferometre, superledende transistorer og superledende qubits.

Den kritiske temperatur (Tc), eller den temperatur, hvorunder et materiale fungerer som en superleder, er en væsentlig bekymring. For de fleste materialer, det er mellem det absolutte nul og 10 Kelvin, det er, mellem -273 Celsius og -263 Celsius, for koldt til at være til nogen praktisk nytte. Fokus har så været på at finde materialer med en højere Tc.

Mens forskere har opdaget materialer, der fungerer som konventionelle superledere ved temperaturer så høje som 250 K under ekstremt tryk, den rapporterede rekord indtil nu blandt 2D-materialer ligger på mellem 7 og 12K i MoS ₂ ifølge eksperimentel evidens og op til 20 K i nogle dopede 2D-materialer og i iboende 2D-metaller ifølge teoretisk modellering. Teoretiske forudsigelser har sat en superledende overgang ved en temperatur over flydende brint for nogle nyligt realiserede 2D borallotroper, men disse materialer kan ikke opnås ved eksfoliering fra van der Waals-bundne 3-D forældre og skal dyrkes direkte på et metalsubstrat. Dette resulterer i relativt stærke interaktioner, der forudsiges at undertrykke den superledende kritiske temperatur ned til kun 2 K i en understøttet prøve.

Parallelt med denne søgen efter højere Tc, forskere har ledt efter materialer, der kombinerer ikke-trivielle topologiske egenskaber med superledning. Denne søgen er både drevet af en søgen efter eksotiske tilstande af stof såvel som efter en dybere forståelse af interaktionerne mellem topologiske kanttilstande og den superledende fase.

I papiret "Forudsigelse af fononmedieret superledning med høj kritisk temperatur i den todimensionelle topologiske semimetall W ₂ N ₃ " forfattere Nicola Marzari, leder af Laboratoriet for teori og simulering af materialer ved EPFL, videnskabsmand Davide Campi og ph.d. studerende Simran Kumari bruger første-principper-beregninger til at identificere iboende superledning i monolag W ₂ N ₃ , et materiale, der for nylig er blevet identificeret som værende let eksfolierbart fra et lagdelt sekskantet-W ₂ N ₃ bulk ved beregninger, en teori også understøttet af eksperimentel evidens. De finder en kritisk temperatur på 21 K, det er, lige over flydende brint og en rekordhøj overgangstemperatur for en konventionel phonon-medieret 2D-superleder.

De undersøger også virkningerne af biaksial belastning på elektron-fonon-koblingerne og forudsiger stærk afhængighed af elektron-fonon-koblingskonstanten, laver 2D W ₂ N ₃ en meget lovende platform til at studere forskellige interaktionsregimer og teste grænserne for nuværende teorier om superledning. Endelig, de hævder, at materialet kan dopes, således at aktuelt ubesatte spiralformede kanttilstande 0,5 eV over Fermi-niveauet bliver fyldt, selv mens superledningsevnen varer ved – omend med en meget lavere overgangstemperatur – hvilket gør W ₂ N ₃ en levedygtig kandidat til at studere og udnytte den mulige sameksistens og interaktioner af den superledende tilstand med topologisk beskyttede kanttilstande.