Forskere afslører unikke egenskaber ved en lovende ny superleder

Et internationalt hold af fysikere ledet af University of Minnesota har opdaget, at et unikt superledende metal er mere modstandsdygtigt, når det bruges som et meget tyndt lag. Forskningen er det første skridt mod et større mål om at forstå ukonventionelle superledende tilstande i materialer, som muligvis kan bruges i kvanteberegning i fremtiden.

Samarbejdet omfatter fire fakultetsmedlemmer i University of Minnesota's School of Physics and Astronomy—lektor Vlad Pribiag, Professor Rafael Fernandes, og assisterende professorer Fiona Burnell og Ke Wang - sammen med fysikere ved Cornell University og flere andre institutioner. Undersøgelsen er publiceret i Naturfysik .

Niobiumdiselenid (NbSe ₂ ) er et superledende metal, hvilket betyder, at den kan lede elektricitet, eller transportere elektroner fra et atom til et andet, uden modstand. Det er ikke ualmindeligt, at materialer opfører sig anderledes, når de har en meget lille størrelse, men NbSe ₂ har potentielt gavnlige egenskaber. Forskerne fandt ud af, at materialet i 2D-form (et meget tyndt substrat kun få atomlag tykt) er en mere modstandsdygtig superleder, fordi den har en dobbelt symmetri, hvilket er meget forskelligt fra tykkere prøver af samme materiale.

Motiveret af Fernandes og Burnells teoretiske forudsigelse af eksotisk superledning i dette 2D-materiale, Pribiag og Wang begyndte at undersøge atomisk tynde 2D-superledende enheder.

"Vi forventede, at det ville have et seks gange rotationsmønster, som et snefnug." sagde Wang. "På trods af den seksdobbelte struktur, det viste kun dobbelt adfærd i eksperimentet."

"Dette var en af ​​de første gange [dette fænomen] blev set i et rigtigt materiale, " sagde Pribiag.

Forskerne tilskrev den nyopdagede dobbelte rotationssymmetri af den superledende tilstand i NbSe ₂ til blandingen mellem to tæt konkurrerende typer af superledning, nemlig den konventionelle s-bølge type - typisk for bulk NbSe ₂ -og en ukonventionel d- eller p-type mekanisme, der opstår i få-lags NbSe ₂ . De to typer superledning har meget ens energier i dette system. På grund af dette, de interagerer og konkurrerer med hinanden.

Pribiag og Wang sagde, at de senere blev opmærksomme på, at fysikere ved Cornell University gennemgik den samme fysik ved hjælp af en anden eksperimentel teknik, nemlig kvantetunnelmålinger. De besluttede at kombinere deres resultater med Cornell-forskningen og udgive en omfattende undersøgelse.

Burnell, Pribiag, og Wang planlægger at bygge videre på disse indledende resultater for yderligere at undersøge egenskaberne af atomisk tyndt NbSe ₂ i kombination med andre eksotiske 2D materialer, som i sidste ende kan føre til brugen af ​​ukonventionelle superledende tilstande, såsom topologisk superledning, at bygge kvantecomputere.

"Det, vi ønsker, er en fuldstændig flad grænseflade på atomare skala, " sagde Pribiag. "Vi tror på, at dette system vil være i stand til at give os en bedre platform til at studere materialer for at bruge dem til kvanteberegningsapplikationer."

Ud over Pribiag, Fernandes, Burnell, Wang, samarbejdet omfattede fysikstuderende ved University of Minnesota, Alex Hamill, Brett Heischmidt, Daniel Shaffer, Kan-Ting Tsai, og Xi Zhang; Cornell University fakultetsmedlemmer Jie Shan og Kin Fai Mak og kandidatstuderende Egon Sohn; Helmuth Berger og László Forró, forskere ved Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne i Schweiz; Alexey Suslov, en forsker ved National High Magnetic Field Laboratory i Tallahassee, Fla.; og Xiaoxiang Xi, professor ved Nanjing Universitet i Kina.