Superledare har fascinerat fysiker i årtionden. Men dessa material, som tillåter det perfekta, förlustfria flödet av elektroner, uppvisar vanligtvis endast denna kvantmekaniska egenhet vid temperaturer som är så låga – några grader över absoluta nollpunkten – att de gör dem opraktiska.
Ett forskarlag under ledning av Harvard-professorn i fysik och tillämpad fysik Philip Kim har visat en ny strategi för att tillverka och manipulera en brett studerad klass av högre temperatursupraledare som kallas kuprater, vilket banar vägen för att konstruera nya, ovanliga former av supraledning i tidigare ouppnåeliga material .
Genom att använda en unik tillverkningsmetod för lågtemperaturenheter rapporterar Kim och hans team i tidskriften Science en lovande kandidat för världens första supraledande diod med hög temperatur – i huvudsak en omkopplare som får ström att flyta i en riktning – gjord av tunna kupratkristaller.
En sådan anordning skulle teoretiskt kunna driva på nystartade industrier som kvantdatorer, som är beroende av flyktiga mekaniska fenomen som är svåra att upprätthålla.
"Supraledande dioder med hög temperatur är faktiskt möjliga utan applicering av magnetiska fält och öppnar nya dörrar för utredning mot studier av exotiska material," sa Kim.
Cuprates är kopparoxider som för decennier sedan upphöjde fysikvärlden genom att visa att de blir supraledande vid mycket högre temperaturer än teoretiker hade trott var möjligt, "högre" är en relativ term (det nuvarande rekordet för en kupratsupraledare är -225 Fahrenheit). Men att hantera dessa material utan att förstöra deras supraledande faser är mycket komplex på grund av deras intrikata elektroniska och strukturella egenskaper.
Teamets experiment leddes av S. Y. Frank Zhao, en tidigare student vid Griffin Graduate School of Arts and Sciences och nu postdoktor vid MIT. Med hjälp av en luftfri, kryogen kristallmanipulationsmetod i ultraren argon, konstruerade Zhao ett rent gränssnitt mellan två extremt tunna lager av kupratvismut strontiumkalciumkopparoxid, smeknamnet BSCCO ("bisco").
BSCCO anses vara en "högtemperatur" supraledare eftersom den börjar supraledande vid cirka -288 Fahrenheit (-177 C) - mycket kallt med praktiska standarder men häpnadsväckande hög bland supraledare, som vanligtvis måste kylas till cirka -400 Fahrenheit (-240 C) ).
Zhao delade först BSCCO i två lager, vart och ett en tusendel av bredden på ett människohår. Sedan, vid -130 F (-90 C), staplade han de två lagren i en 45-graders vridning, som en glassmacka med skeva rån, och bibehöll supraledning vid det ömtåliga gränssnittet.
Teamet upptäckte att den maximala superströmmen som kan passera utan motstånd genom gränssnittet är olika beroende på strömmens riktning. Det avgörande är att teamet också demonstrerade elektronisk kontroll över gränssnittets kvanttillstånd genom att vända denna polaritet.
Den här kontrollen var det som effektivt gjorde det möjligt för dem att göra en omkopplingsbar supraledande diod för hög temperatur – en demonstration av grundläggande fysik som en dag skulle kunna inkorporeras i ett stycke datorteknik, till exempel en kvantbit.
"Detta är en utgångspunkt för att undersöka topologiska faser, med kvanttillstånd skyddade från ofullkomligheter," sa Zhao.
Harvard-teamet arbetade med kollegorna Marcel Franz vid University of British Columbia och Jed Pixley vid Rutgers University, vars team tidigare utförde teoretiska beräkningar som exakt förutspådde kuratsupraledarens beteende i ett brett spektrum av vridningsvinklar. Att förena de experimentella observationerna krävde också nya teoriutvecklingar utförda av University of Connecticuts Pavel A. Volkov.
Rättningsanmärkning (12/182023):Celsiusgrader lades till artikeln för att komplettera de relaterade Fahrenheit-mätningarna.
Mer information: S. Y. Frank Zhao et al, Time-reversal symmetry breaking supraconductivity between twisted cuprate supraconductors, Science (2023). DOI:10.1126/science.abl8371
Journalinformation: Vetenskap
Tillhandahålls av Harvard University
