I en betydande utveckling inom området supraledning har forskare vid University of Manchester framgångsrikt uppnått robust supraledning i höga magnetiska fält med hjälp av ett nyskapat endimensionellt (1D) system. Detta genombrott erbjuder en lovande väg för att uppnå supraledning i kvanthallsregimen, en långvarig utmaning inom den kondenserade materiens fysik.
Superledning, förmågan hos vissa material att leda elektricitet med noll motstånd, har en djup potential för framsteg inom kvantteknologi. Men att uppnå supraledning i kvant-Hall-regimen, kännetecknad av kvantifierad elektrisk konduktans, har visat sig vara en stor utmaning.
Forskningen publicerades denna vecka (25 april 2024) i Nature , beskriver omfattande arbete av Manchester-teamet under ledning av professor Andre Geim, Dr. Julien Barrier och Dr. Na Xin för att uppnå supraledning i quantum Hall-regimen. Deras första ansträngningar följde den konventionella vägen där kontrapropagerande kantstater fördes i närheten av varandra. Detta tillvägagångssätt visade sig dock vara begränsat.
"Våra initiala experiment motiverades främst av det starka ihållande intresset för närhetssupraledning som induceras längs kvanthallskanttillstånden", förklarar Dr. Barrier, tidningens huvudförfattare. "Denna möjlighet har lett till många teoretiska förutsägelser om uppkomsten av nya partiklar kända som icke-abelska anyoner."
Teamet utforskade sedan en ny strategi inspirerad av deras tidigare arbete som visar att gränser mellan domäner i grafen kan vara mycket ledande. Genom att placera sådana domänväggar mellan två supraledare, uppnådde de den önskade slutliga närheten mellan kontrapropagerande kanttillstånd samtidigt som effekterna av störningar minimerades.
"Vi uppmuntrades att observera stora superströmmar vid relativt "ljumma" temperaturer upp till 1 Kelvin i varje enhet vi tillverkade, minns Dr. Barrier.
Ytterligare undersökningar avslöjade att närhetssupraledningsförmågan inte härrörde från kvanthallskanttillstånden som fortplantade sig längs domänväggar, utan snarare från strikt 1D elektroniska tillstånd som existerade inom själva domänväggarna.
Dessa 1D-tillstånd, som bevisats existera av professor Vladimir Fal'kos teorigrupp vid National Graphene Institute, uppvisade en större förmåga att hybridisera med supraledning jämfört med kvanthall-kanttillstånd. Den inneboende endimensionella naturen hos de inre tillstånden tros vara ansvarig för de observerade robusta superströmmarna vid höga magnetfält.
Denna upptäckt av singelmods 1D-superledning visar spännande vägar för vidare forskning. "I våra enheter fortplantar sig elektroner i två motsatta riktningar inom samma nanoskala utrymme och utan spridning," utvecklar Dr Barrier. "Sådana 1D-system är exceptionellt sällsynta och lovar att lösa ett brett spektrum av problem inom grundläggande fysik."
Teamet har redan visat förmågan att manipulera dessa elektroniska tillstånd med hjälp av grindspänning och observera stående elektronvågor som modulerade de supraledande egenskaperna.
"Det är fascinerande att tänka på vad det här nya systemet kan ge oss i framtiden. 1D-supraledning presenterar en alternativ väg mot att förverkliga topologiska kvasipartiklar som kombinerar kvant-Hall-effekten och supraledning", avslutar Dr. Xin. "Detta är bara ett exempel på den enorma potential som våra resultat har."
Denna forskning från University of Manchester, 20 år efter tillkomsten av det första 2D-materialet grafen, representerar ytterligare ett steg framåt inom supraledningsområdet. Utvecklingen av denna nya 1D-supraledare förväntas öppna dörrar för framsteg inom kvantteknik och bana väg för ytterligare utforskning av ny fysik, vilket lockar intresse från olika forskarsamhällen.
Mer information: Andre Geim, Endimensionell närhetssuperledning i kvanthallsregimen, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07271-w. www.nature.com/articles/s41586-024-07271-w
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av University of Manchester
