Forskare har upptäckt, genom elektrontransport och tunnelmätningar (grå kontakter), ett blandat konventionellt/okonventionellt supraledande tillstånd i ark av NbSe2 några få atomer tjocka (blå och gula cirklar). NbSe2 är ett tvådimensionellt material som har fått mycket uppmärksamhet för att utforska nya supraledande tillstånd på grund av den starka spin-omloppskopplingen från dess tunga övergångsmetallatomer. Genom att applicera magnetiska fält i planet (röd pil) upp till 35T i olika vinklar θ, en tvåfaldig symmetrisk (lila ellips) signal i motståndet och tunnelledningskonduktansen finns i den supraledande regimen. Denna observerade symmetri, som inträffar trots avsaknaden av en dubbel struktur i materialet, föreslår icke-triviala interaktioner som leder till de uppmätta signalerna. Denna observation tillskrivs blandningen av den konventionella isotropen (s-våg, blå cirkel) supraledande gap med en okonventionell anisotropisk (p- eller d-våg, röda lober) supraledande gap. Detta oväntade fynd banar väg för ytterligare undersökningar om hur detta dubbla beteende kan uppstå, samt informera framtida studier om blandad och okonventionell supraledning i tvådimensionella material. Kredit:Hamill et al.
På senare år har många materialforskare över hela världen har undersökt potentialen hos tvådimensionella (2D) material, som består av ett enda lager eller några få ultratunna lager av atomer och har unika fysiska, elektriska och optiska egenskaper.
Forskare vid University of Minnesota och Cornell University genomförde nyligen en studie som undersökte supraledningsförmågan hos fålagers niobdiselenid (NbSe 2 ), en skiktad övergångsmetall som uppvisar en unik inre spin-omloppskoppling av Ising-typ. Deras papper, publiceras i Naturfysik , visar att det supraledande tillståndet för få-lager NbSe 2 har en dubbel symmetri, som skiljer sig mycket från strukturen på dess kristaller.
"Det finns ett enormt intresse för tvådimensionella material, såsom NbSe 2 , för när de är beredda att bara vara några få atomlager tjocka, de har ofta nya egenskaper, som inte finns i tjocka prover av samma material, " Vlad S. Pribiag, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Till exempel, NbSe 2 är en supraledare i sin bulkform, men när fålagerprover förbereds, kristallsymmetrin förändras, vilket gör supraledningsförmågan mycket mer motståndskraftig mot applicerade magnetfält. Detta upptäcktes av några medförfattare för några år sedan och fungerade som en drivkraft för vårt arbete."
Förr, forskare förutspådde att NbSe 2 kan vara en topologisk supraledare. Topologiska supraledare är en unik klass av supraledare med icke-triviala topologiska egenskaper. Dessa unika supraledare har väckt stort intresse, eftersom de kan förhindra att kvantbitar förlorar informationen de lagrar; Således, de skulle kunna möjliggöra skapandet av nya kvantdatorer som är topologiskt skyddade.
Det senaste arbetet av Pribiag och hans kollegor hämtar inspiration från tidigare studier som undersöker möjligheten att NbSe 2 är en topologisk supraledare. I sina experiment, forskarna undersökte specifikt den topologiska supraledningsförmågan hos NbSe 2 det är bara några få atomlager tjocka.
"Vi fann att det supraledande tillståndet för få lager NbSe 2 har en dubbel symmetri, som är slående skild från den trefaldiga symmetrin hos kristallen (dvs. kristallen ser likadan ut om den roteras 120 grader, men egenskaperna för supraledande tillstånd upprepas när de roterar 180 grader), " Pribiag förklarade. "Denna tvåfaldiga symmetri överensstämmer med närvaron av två konkurrerande supraledande tillstånd som är mycket nära i energi:en av dessa kan relateras till topologisk supraledning - och vi arbetar nu med uppföljande experiment som syftar till att bestäm detta."
I sina experiment, Pribiag och hans kollegor fann att anisotropi (dvs. en egenskap som tillåter material att ändra sina fysiska egenskaper när de mäts längs kristallaxlar i olika riktningar) uppträdde när de roterade ett magnetfält på sitt provs plan. Forskarna undersökte denna observation ytterligare med hjälp av två olika typer av prover.
I en typ av prov, de mätte det kritiska fältet (dvs. fältet där supraledning försvinner). Den andra typen av prov, studerat av teamet vid Cornell University, hade ett tunt isolerande lager mellan NbSe 2 och ett magnetiskt material, vilket tillät dem att tunnla in i NbSe 2 . De två uppsättningarna av mätningar som de samlade in visade båda en tvåfaldig anisotropi.
"Atomer i NbSe 2 är inriktade i ett periodiskt triangulärt mönster och därför, fysikegenskaperna inom förväntas uppvisa en trefaldig rotationssymmetri (dvs. att rotera systemet eller miljön runt det med 120 grader bör resultera i fysiska egenskaper som inte kan skiljas från dem före rotationen), "Ke Wang, en annan forskare involverad i studien, berättade för Phys.org. "Dock, vi observerade istället en tvåfaldig rotationssymmetri av det supraledande tillståndet i få-lagers NbSe 2 under externa magnetfält i planet, i motsats till gittrets trefaldiga symmetri."
Enligt Bardeen-Cooper-Schrieffer-teorin (BCS), en väletablerad fysikteori som förklarar supraledning, två elektroner kan para sig med varandra för att bilda ett så kallat bosoniskt par (dvs. Cooper par). Dessa par bidrar sedan till bildandet av en avledningsfri elektronsuperfluid, vilket leder till supraledning.
I tjocka lager, tredimensionell (3D) NbSe 2 , parningsmekanismerna som beskrivs av BCS-teorin uppvisar en konventionell s-vågsinstabilitet. Å andra sidan, när NbSe 2 närmar sig 2D-gränser, en okonventionell parningsmekanism som involverar d- eller p-vågselektroner kan inträffa i närvaro av stark spin-omloppskoppling.
"I våra få-lagers prover som överbryggar 2D- och 3D-gränserna, ovanstående två parningsinstabiliteter blandas och konkurrerar med varandra, och leda till den 2-faldiga symmetriska supraledningsförmågan vi observerade, " förklarade Wang.
Pribiag, Wang och deras kollegor var de första som samlade tydliga bevis på den okonventionella parningsmekanismen som förekommer i 2D NbSe 2 med några lager av atomer. Förutom att bredda den nuvarande förståelsen av 2D NbSe 2 och dess egenskaper, fynden de samlat in väcker grundläggande frågor om ursprunget till de ovanliga parningsinteraktioner de observerade.
"Vår framtida forskning kommer att fokusera på att svara på många grundläggande frågor om de exotiska parningsmekanismer som ledde till vår senaste upptäckt, " sa Wang. "Till exempel, är den 2-faldiga anisotropin resultatet av spontan nematisk supraledning, eller stark gap-mixing utlöst av ett litet symmetribrytande fält, såsom stam? Spelar topologisk supraledning en roll? Guidad av våra teorisamarbetare, vi kommer att undersöka prover med varierande tjocklek och atomär töjning som kommer att ge oss kontroll över konkurrensen mellan de olika ordningsparametrarna."
© 2021 Science X Network
