Superledande fasdiagram av Ba6Nb11S28. (A) Överdriven konduktivitet i förhållande till normaltillståndet ds (m0H, T) för fältvinklar q nära ab-planet (q =90 °). (B) Skillnad mellan ds (m0H, T) för q =90 ° och q =84 °. Temperaturaxeln normaliseras till TBKT. Den gröna kurvan representerar 2D Ginzburg-Landau (2D-GL) modellen av m0Hc2. (C) Vinkelberoende av m0Hc2 vid T/TBKT =0,3 (orange) och m0Hc2 vid T/TBKT =0,8 (grön, förstoras med en faktor 3). Insats:Schematisk skildring av m0Hc2 i ett rent 2D -system där en förbättring förväntas inom en kritisk region | q - 90 ° |
Materialvetenskap har haft en djup historisk inverkan på mänskligheten sedan järn- och bronsåldern kom. Nuvarande, materialforskare är fascinerade av en klass av material som kallas kvantmaterial, vars elektroniska eller magnetiska beteende inte kan förklaras av klassisk fysik. Upptäckter inom kvantmaterial följs av en kraftig forskning för att avslöja ny fysik eller kvantinformation inom vetenskapen. I en ny rapport som nu publicerats den Vetenskap , A. Devarakonda och ett team av forskare i fysik vid Massachusetts Institute of Technology, Harvard University och Riken Center for Emergent Matter Science i USA och Japan rapporterade syntesen av ett mycket intressant nytt kvantmaterial.
Konstruktionen kan tillåta fysiker att studera oklara kvanteffekter som hittills varit okända. I den här studien, laget utvecklade en bulk supergitter innehållande övergångsmetall dikalkogenid (TMD) superledare 2H-niobiumdisulfid (2H-NbS 2, 2H-fas) för att generera förbättrad tvådimensionell (2-D), hög elektronisk kvalitet och ren gräns för oorganisk supraledning.
Superledning
Superledning kan hypotetiskt tillåta höghastighetsapplikationer utan strömavbrott och bidra till utvecklingen av koncept som svävande snabbtåg. Forskare kan delvis förverkliga sådana applikationer för närvarande med material som supraleder vid tillräckligt höga temperaturer och använder 2-D-material för att förenkla problem, samtidigt som man belyser fysiken bakom supraledning. Tidiga experimentella arbeten med granulärt aluminium (Al) och amorfa vismutfilmer (Bi) visade 2-D supraledning genom att exakt kontrollera den supraledande skikttjockleken, som senare användes i banbrytande studier. Dessa inkluderar övergången Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT); ett tidigt exempel som beskriver den topologiska övergången, för vilken fysiker fick Nobelpriset i fysik 2016.
Kvantsvängningar och elektronisk struktur för Ba6Nb11S28. (A) Magnetoresistans som funktion av vinkelrätt fält vid temperatur T =0,39 K för olika fältrotationsvinklar q (geometri definierad som visas i infällningen). Kurvor förskjuts vertikalt med 150% av MR för klarhet. (B och C) Lågfrekvensområde (B) och fullt område (C) för kvantoscillationsamplitud FFT som en funktion av vinkelrät frekvens F cos (q). FFT-amplituderna för de högre frekvensfickorna multipliceras med 25. (D) DFT-beräkning av monoskikts H-NbS2 Fermi-ytor inklusive spin-orbit-koppling (17). (E) Avbildning av zonfällningsplan som innefattar 3 × 3-överbyggnaden som påläggs av Ba3NbS5-blockskiktet där den reducerade Brillouin-zonen är innesluten av den djärva linjen. (F) Elektronisk struktur av zonvikt monoskikt H-NbS2 med experimentellt observerade Fermi-yta i tvärsnittsområden ritade i skala som fasta cirklar. Den svarta rutan motsvarar 0,01 Å – 2. Kredit:Vetenskap, doi:10.1126/science.aaz6643
Parallellt, forskare har också studerat anisotropisk bulkledning för att förstå det superledande tillståndet i samband med 2-D supraledning, som inkluderar övergångsmetalldikalkogenider (TMD), dvs atomtunna halvledare av typen MX 2 där M är en övergångsmetall och X är en kalkogenatom (grupp 16 element i det periodiska systemet). De senaste framstegen inom materialteknik har också visat möjligheten att exfoliera van der Waals (vdW) skiktade material så att atomtunna 2-D supraledare blir lätt åtkomliga. Dock, sådana flingor av peeling kan försämras, minska provkvaliteten. Devarakonda et al. använde därför högkvalitativ 2H-NbS 2 (2H-niobiumdisulfid) monoskikt i detta arbete med en ren gräns 2-D superledare som uppvisar en BKT (Berezinskii-Kosterlitz-Thouless) övergång. De syntetiserade sedan ytterligare ett enkristallmaterial; Ba 6 Nb 11 S 28 med H-NbS av hög kvalitet 2 monoskikt och Ba 3 NbS 5 blockera lager, inom vilken TMD -skikten var starkt avkopplade.
Utveckla och karakterisera lagkakan
Devarakonda et al. gjorde därför det resulterande materialet (Ba 6 Nb 11 S 28 ) så ren som möjligt för att studera den rena fysiken för 2-D supraledning. Upptäckten av ren 2-D supraledning i Ba 6 Nb 11 S 28 kommer att öppna dörren för att bättre förstå 2-D supraledning associerad med kvantfenomen. Materialet innehöll alternerande lager av 2-D-superledaren NbS 2 och ett elektroniskt ointressant distansskikt Ba 3 NbS 5 - ungefär som en tårta med ett tunt lager choklad (dvs NbS 2 ) mellan tjockare kakskikt (dvs distansskiktet). Skikten skyddade NbS 2 lager från sprickbildning eller luft/fuktexponering för att möjliggöra mycket renare 2-D supraledning. Teamet använde högvinkligt ringformigt mörkerfältskanningsöverföringselektronmikroskopi (HAADF-STEM) för att undersöka den resulterande strukturen. Materialet visade en ren gräns 2-D superledare som uppvisade en BKT-övergång vid T BKT =0,82 K och framträdande 2-D Shubnikov-de Haas (SdH) kvantoscillationer; en makroskopisk manifestation av materiens inneboende kvantart.
2D supraledning och Pauli gränsbrytning i Ba6Nb11S28. (A) Strömspänningsegenskaper I (V) från T =0,95 K till T =0,28 K. Insatsen visar utvecklingen av effektlagen V º I a; den horisontella linjen markerar a =3. (B) Longitudinal resistivitet som en funktion av fältet m0H för olika värden på q. Kurvor förskjuts vertikalt med 20 mW · cm för klarhet (horisontella linjer). Vertikala fästingar separerar regioner mätt med låg ström (7 mA) och högre ström (70 mA) för att undvika undertryckande av supraledning genom Joule -uppvärmning. För q =80 ° och 90 °, endast låg ström används. (C) Vinkelberoende av övre kritiska fältet m0Hc2 uppmätt vid T =0,28 K med passform till 2D-Tinkham-modellen, beräknas med data i intervallet | q - 90 ° | <1,7 ° (lila kurvan) och | q - 90 ° |> 1,7 ° (svart kurva), respektive. Insatsen visar en detaljerad vy nära q =90 ° där en förbättring av m0Hc2 (q) observeras över Pauli -gränsen m0HP. Kredit:Vetenskap, doi:10.1126/science.aaz6643 
Med hjälp av magnetotransportmätningar, Devarakonda et al. visade materialets renhet och ytterligare bevis för 2-D elektronisk arkitektur. Resultaten skilde sig kvalitativt från utgångsmaterialet 2H-NbS 2 , som upprätthöll skeva och elliptiska Fermi -ytor i sin elektroniska struktur. Även om kvantoscillationer ännu inte hade rapporterats i 2H-NbS 2 , laget noterade början av Shubnikov-de Haas (SdH) kvantoscillationer i Ba 6 Nb 11 S 28 inom magnetfält mellan 2 och 3 Tesla för att indikera kvantrörlighet. Forskarna analyserade kvantoscillationerna och lågfältsmagnetoresistansen hos Ba 6 Nb 11 S 28 , som placerade materialen i den rena gränsen för supraledningsförmåga.
Alternerande lager av supraledande NbS2 och en Ba3NbS5 -distans tillåter hög elektronmobilitet i NbS2 samtidigt som den skyddar den. Detta skapar en "lagerkaka" -liknande struktur som tillåter rent supraledande beteende. Kredit:Vetenskap, doi:10.1126/science.abd4225
De registrerade också materialets ström/spänningsegenskaper över den supraledande övergången. Förutom den observerade BKT -övergången, verket visade utseendet på en ren, 2-D supraledande tillstånd med förbättrad stabilitet, som Devarakonda et al. tillskrivs NbS:s höga renhet 2 lager i Ba 6 Nb 11 S 28 . Eftersom huvuddelen Ba 6 Nb 11 S 28 material som redan visas 2-D fysik, forskargruppen föreslog ursprungligen den nu kända processen att infoga distanslagren istället för att tillverka exfolierade nanodatorer som beskrivs i tidigare arbete. Teamet noterade också möjligheten att funktionalisera distanslagret genom att introducera magnetiska beståndsdelar. På det här sättet, den stora elektroniska medelvägsfria vägen (genomsnittligt avstånd som färdats av en rörlig partikel) för Ba 6 Nb 11 S 28 tillät ren-gräns super-konduktivitet för att potentiellt förverkliga okonventionella faser som förutspås i enskikts superledare.
2D supraledning och Ba6Nb11S28. (A) Undersökning av supraledande material som kännetecknas av anisotropi i det övre kritiska fältet Hc c2 =Hab c2 och förhållandet mellan Pippards koherenslängd och den fria vägen. Gränsen mellan de rena och smutsiga gränserna visas som en horisontell linje. (B) Kristallstruktur av H-MX2 projicerad på ab-planet. Brist på inversionssymmetri illustreras av de saknade kalcogen (X) inversionspartnerna (streckade cirklar). (C) Ab-plan spegelsymmetri i monoskikt H-MX2 kan brytas av substrat eller lokala fält (∇U). (D) Skildring av momentum-rymdens spin-orbit-struktur för monoskikt H-MX2 med olika grader av Ising och Rashba-koppling. (E) HAADF-STEM-bild av Ba6Nb11S28 tagen längs axeln (skalstapel, 1 nm). En simulering av modellstrukturen överlagras med en enhetscell skuggad i grönt. Ba, Nb, och S -atomer avbildas som blå, röd, och gula cirklar, respektive. (F) Resistivitet som en funktion av temperaturen i Ba6Nb11S28 som visar den superledande övergången. Övre insats:Förstorad vy över övergången) och magnetisk känslighet 4 st mätt med nollfältskylning (ZFC) och fältkylning (FC). Nedre insats:H-NbS2-lager och spegelsymmetri-brytande Ba3NbS5-blockskikt. Kredit:Vetenskap, doi:10.1126/science.aaz6643
Påverkan av det nya kvantmaterialet
Materialets inneboende skönhet förblir i heterostrukturens naturliga tillväxt, som ungefär som en skiktårta naturligt separerade under syntesprocessen. Detta gjorde att den syntetiska processen kunde bli mycket mindre arbetskrävande jämfört med den manuella tillsatsen av varje lager. Den enkla syntesen kan göra det möjligt att utveckla olika typer av skiktade material där 2-D-skikten naturligt skyddas av sin omgivning. Tekniken kan ge olika typer av kvantmaterial bortsett från superledare, inklusive topologiska isolatorer som är lämpliga för kvantberäkning. Den nya upptäckten möjliggör en enklare, alternativ metod för den befintliga processen för exfolierad nanotillverkning. A. Devarakonda och kollegor tänker sig att utvidga denna strategi till andra material utöver Ba 6 Nb 11 S 28 detaljerad här.
© 2020 Science X Network
