Forskere udvikler en ny endimensionel superleder

I en betydelig udvikling inden for superledningsevne har forskere ved University of Manchester med succes opnået robust superledning i høje magnetiske felter ved hjælp af et nyoprettet endimensionelt (1D) system. Dette gennembrud tilbyder en lovende vej til at opnå superledning i kvante-Hall-regimet, en langvarig udfordring inden for kondenseret stofs fysik.

Superledning, visse materialers evne til at lede elektricitet uden modstand, rummer et dybt potentiale for fremskridt inden for kvanteteknologier. At opnå superledning i kvante Hall-regimet, karakteriseret ved kvantiseret elektrisk ledningsevne, har imidlertid vist sig at være en stor udfordring.

Forskningen, offentliggjort i denne uge (25. april 2024) i Nature , detaljeret omfattende arbejde af Manchester-teamet ledet af professor Andre Geim, Dr. Julien Barrier og Dr. Na Xin for at opnå superledning i kvante Hall-regimet. Deres indledende indsats fulgte den konventionelle rute, hvor kontraformerende kantstater blev bragt i umiddelbar nærhed af hinanden. Denne tilgang viste sig dog at være begrænset.

"Vores indledende eksperimenter var primært motiveret af den stærke vedvarende interesse for nærhedssuperledning induceret langs kvante Hall-kanttilstande," forklarer Dr. Barrier, papirets hovedforfatter. "Denne mulighed har ført til adskillige teoretiske forudsigelser vedrørende fremkomsten af ​​nye partikler kendt som ikke-abelske anyoner."

Holdet udforskede derefter en ny strategi inspireret af deres tidligere arbejde, der viste, at grænser mellem domæner i grafen kunne være meget ledende. Ved at placere sådanne domænevægge mellem to superledere opnåede de den ønskede ultimative nærhed mellem modudbredte kanttilstande, mens virkningerne af uorden blev minimeret.

"Vi blev opfordret til at observere store superstrømme ved relativt 'balsame' temperaturer op til 1 Kelvin i hver enhed, vi fremstillede," husker Dr. Barrier.

Yderligere undersøgelser afslørede, at nærhedssuperledningsevnen ikke stammede fra de kvante Hall-kanttilstande, der forplantede sig langs domænevægge, men snarere fra strengt 1D elektroniske tilstande, der eksisterede inden for selve domænevæggene.

Disse 1D-tilstande, bevist at eksistere af professor Vladimir Fal'kos teorigruppe ved National Graphene Institute, udviste en større evne til at hybridisere med superledning sammenlignet med kvante Hall-kanttilstande. Den iboende endimensionelle natur af de indre tilstande menes at være ansvarlig for de observerede robuste superstrømme ved høje magnetiske felter.

Denne opdagelse af single-mode 1D superledning viser spændende muligheder for yderligere forskning. "I vores enheder forplanter elektroner sig i to modsatte retninger inden for det samme rum på nanoskala og uden spredning," uddyber Dr. Barrier. "Sådanne 1D-systemer er usædvanligt sjældne og lover at løse en lang række problemer inden for grundlæggende fysik."

Holdet har allerede demonstreret evnen til at manipulere disse elektroniske tilstande ved hjælp af gatespænding og observere stående elektronbølger, der modulerede de superledende egenskaber.

"Det er fascinerende at tænke på, hvad dette nye system kan bringe os i fremtiden. 1D-superledningsevnen præsenterer en alternativ vej mod realisering af topologiske kvasipartikler, der kombinerer kvante-Hall-effekten og superledning," slutter Dr. Xin. "Dette er blot et eksempel på det enorme potentiale, vores resultater rummer."

Denne forskning fra University of Manchester, 20 år efter fremkomsten af ​​det første 2D-materiale grafen, repræsenterer endnu et skridt fremad inden for superledningsevne. Udviklingen af ​​denne nye 1D-superleder forventes at åbne døre for fremskridt inden for kvanteteknologier og bane vejen for yderligere udforskning af ny fysik, hvilket tiltrækker interesse fra forskellige videnskabelige samfund.

Flere oplysninger: Andre Geim, One-dimensional proximity superconductivity in the quantum Hall regime, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07271-w. www.nature.com/articles/s41586-024-07271-w

Journaloplysninger: Natur

Leveret af University of Manchester