Forskere observerer to gange symmetrisk superledning i 2D niobiumdiselenid

I de seneste år, mange materialeforskere verden over har undersøgt potentialet af todimensionelle (2D) materialer, som er sammensat af et enkelt lag eller nogle få ultratynde lag af atomer og har unikke fysiske, elektriske og optiske egenskaber.

Forskere ved University of Minnesota og Cornell University udførte for nylig en undersøgelse, der undersøgte superledningsevnen af ​​få-lags niobiumdiselenid (NbSe) ₂ ), et lagdelt overgangsmetal, der udviser en unik iboende Ising-type spin-orbit kobling. Deres papir, udgivet i Naturfysik , viser, at den superledende tilstand af få-lags NbSe ₂ har en dobbelt symmetri, som adskiller sig meget fra strukturen af ​​dens krystaller.

"Der er en enorm interesse for todimensionelle materialer, såsom NbSe ₂ , fordi når de er forberedt på kun at være nogle få atomlag tykke, de har ofte nye egenskaber, som ikke er til stede i tykke prøver af samme materiale, " Vlad S. Pribiag, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "For eksempel, NbSe ₂ er en superleder i sin bulkform, men når få-lags prøver fremstilles, krystalsymmetrien ændres, gør superledningsevnen meget mere modstandsdygtig over for påførte magnetiske felter. Dette blev opdaget af nogle medforfattere for et par år siden og tjente som en drivkraft for vores arbejde."

I fortiden, forskere forudsagde, at NbSe ₂ kunne være en topologisk superleder. Topologiske superledere er en unik klasse af superledere med ikke-trivielle topologiske egenskaber. Disse unikke superledere har tiltrukket sig betydelig interesse, da de kan forhindre kvantebits i at miste den information, de gemmer; dermed, de kunne muliggøre skabelsen af ​​nye kvantecomputere, der er topologisk beskyttet.

Det nylige arbejde af Pribiag og hans kolleger henter inspiration fra tidligere undersøgelser, der undersøger muligheden for, at NbSe ₂ er en topologisk superleder. I deres eksperimenter, forskerne undersøgte specifikt den topologiske superledning af NbSe ₂ det er kun nogle få atomlag tykt.

"Vi fandt ud af, at den superledende tilstand af få lag NbSe ₂ har en dobbelt symmetri, som er slående forskellig fra den tredobbelte symmetri af krystallen (dvs. krystallen ser ens ud, hvis den drejes 120 grader, men de superledende tilstandsegenskaber gentages, når de drejes 180 grader), " Pribiag forklarede. "Denne dobbelte symmetri er i overensstemmelse med tilstedeværelsen af ​​to konkurrerende superledende tilstande, der er meget tætte i energi:en af ​​disse kunne være relateret til topologisk superledning - og vi arbejder nu på opfølgende eksperimenter, der har til formål at bestemme dette."

I deres eksperimenter, Pribiag og hans kolleger fandt ud af, at anisotropi (dvs. en egenskab, der tillader materialer at ændre dets fysiske egenskaber, når de måles langs krystalakser i forskellige retninger), dukkede op, da de roterede et magnetfelt på deres prøves plan. Forskerne undersøgte denne observation yderligere ved hjælp af to forskellige typer prøver.

I én type prøve, de målte det kritiske felt (dvs. det felt, hvor superledning forsvinder). Den anden type prøve, studeret af teamet på Cornell University, havde et tyndt isolerende lag mellem NbSe ₂ og et magnetisk materiale, hvilket gjorde det muligt for dem at tunnelere ind i NbSe ₂ . De to sæt målinger, de indsamlede, viste begge en dobbelt anisotropi.

"Atomer i NbSe ₂ er justeret i et periodisk trekantet mønster og derfor, fysikegenskaberne indeni forventes at udvise en tredobbelt rotationssymmetri (dvs. rotation af systemet eller miljøet omkring det 120 grader bør resultere i fysiske egenskaber, der ikke kan skelnes fra før rotationen), "Ke Wang, en anden forsker involveret i undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Imidlertid, vi observerede i stedet en dobbelt rotationssymmetri af den superledende tilstand i få-lags NbSe ₂ under eksterne magnetiske felter i planet, i modsætning til gitterets tredobbelte symmetri."

Ifølge Bardeen-Cooper-Schrieffer-teorien (BCS), en veletableret fysikteori, der forklarer superledning, to elektroner kan parre sig med hinanden for at danne et såkaldt bosonisk par (dvs. Cooper par). Disse par bidrager derefter til dannelsen af ​​en spredningsfri elektronsuperfluid, hvilket fører til superledning.

I tykt lag, tredimensionel (3D) NbSe ₂ , parringsmekanismerne skitseret af BCS teori udviser en konventionel s-bølge ustabilitet. På den anden side, når NbSe ₂ nærmer sig 2D-grænser, en ukonventionel parringsmekanisme, der involverer d- eller p-bølgeelektroner, kan forekomme i nærvær af stærk spin-orbit-kobling.

"I vores få-lags prøver, der bygger bro mellem 2D- og 3D-grænserne, de to ovennævnte parrings-ustabiliteter blandes og konkurrerer med hinanden, og føre til den 2-fold symmetriske superledning, vi observerede, " forklarede Wang.

Pribiag, Wang og deres kolleger var de første til at indsamle klare beviser for den ukonventionelle parringsmekanisme, der forekommer i 2D NbSe ₂ med et par lag atomer. Ud over at udvide den nuværende forståelse af 2D NbSe ₂ og dens egenskaber, de fund, de indsamlede, rejser grundlæggende spørgsmål om oprindelsen af ​​de usædvanlige parringsinteraktioner, de observerede.

"Vores fremtidige forskning vil fokusere på at besvare mange grundlæggende spørgsmål om de eksotiske opskæringsmekanismer, der førte til vores nylige opdagelse, " sagde Wang. "For eksempel, er 2-fold anisotropi resultatet af spontan nematisk superledning, eller stærk gap-mixing udløst af et lille symmetri-brydende felt, såsom stamme? Spiller topologisk superledning en rolle? Vejledt af vores teorisamarbejdspartnere, vi vil undersøge prøver med varierende tykkelse og atomare belastning, der vil give os kontrol over konkurrencen mellem de forskellige ordensparametre."

© 2021 Science X Network