Mewn deunyddiau uwch-ddargludo, bydd cerrynt trydan yn llifo heb unrhyw wrthwynebiad. Mae cryn dipyn o gymwysiadau ymarferol o'r ffenomen hon; fodd bynnag, mae llawer o gwestiynau sylfaenol heb eu hateb eto. Astudiodd yr Athro Cyswllt Justin Ye, pennaeth y grŵp Ffiseg Dyfeisiau o Ddeunyddiau Cymhleth ym Mhrifysgol Groningen, uwchddargludedd mewn haen ddwbl o ddad-sulffid molybdenwm a darganfod cyflyrau uwch-ddargludol newydd. Cyhoeddwyd y canlyniadau yn y cyfnodolyn Nature Nanotechnology ar 4 Tachwedd.

Mae uwchddargludedd wedi'i ddangos mewn crisialau monohaenog o, er enghraifft, desylffid molybdenwm neu disulfide twngsten sydd â thrwch o dri atom yn unig. “Yn y ddau monolayer, mae yna fath arbennig o uwch-ddargludedd lle mae maes magnetig mewnol yn amddiffyn y cyflwr uwch-ddargludol rhag meysydd magnetig allanol,” eglura Ye. Mae superconductivity arferol yn diflannu pan fydd maes magnetig allanol mawr yn cael ei gymhwyso, ond mae'r uwch-ddargludedd Ising hwn wedi'i warchod yn gryf. Hyd yn oed yn y maes magnetig statig cryfaf yn Ewrop, sydd â chryfder o 37 Tesla, nid yw'r uwch-ddargludedd mewn disulfide twngsten yn dangos unrhyw newid. Fodd bynnag, er ei bod yn wych cael amddiffyniad mor gryf, yr her nesaf yw dod o hyd i ffordd i reoli'r effaith amddiffynnol hon, trwy gymhwyso maes trydan.

Cyflyrau uwch-ddargludo newydd

Astudiodd Ye a’i gydweithwyr haen ddwbl o ddad-sulffid molybdenwm: “Yn y cyfluniad hwnnw, mae’r rhyngweithio rhwng y ddwy haen yn creu cyflyrau uwch-ddargludol newydd.” Creodd Ye haen ddwbl crog, gyda hylif ïonig ar y ddwy ochr y gellir ei ddefnyddio i greu maes trydan ar draws yr haen ddeuol. “Yn y monolayer unigol, bydd maes o'r fath yn anghymesur, gydag ïonau positif ar un ochr a gwefrau negyddol yn cael eu hysgogi ar yr ochr arall. Fodd bynnag, yn yr haen ddeuol, gallwn gael yr un faint o wefr a achosir yn y ddau haen mono, gan greu system gymesur,” eglura Ye. Gellid defnyddio'r maes trydan a grëwyd felly i droi uwchddargludedd ymlaen ac i ffwrdd. Mae hyn yn golygu bod transistor uwchddargludol wedi'i greu y gellid ei gatio drwy'r hylif ïonig.

Yn yr haen ddwbl, mae amddiffyniad Ising yn erbyn meysydd magnetig allanol yn diflannu. “Mae hyn yn digwydd oherwydd newidiadau yn y rhyngweithio rhwng y ddwy haen.” Fodd bynnag, gall y maes trydan adfer amddiffyniad. “Mae lefel yr amddiffyniad yn dod yn swyddogaeth o ba mor gryf rydych chi'n giât y ddyfais.”

Parau cowper

Ar wahân i greu transistor uwch-ddargludol, gwnaeth Ye a'i gydweithwyr sylw diddorol arall. Ym 1964, rhagwelwyd y byddai gwladwriaeth uwchddargludo arbennig yn bodoli, a elwir yn dalaith FFLO (a enwyd ar ôl y gwyddonwyr a'i rhagfynegodd: Fulde, Ferrell, Larkin ac Ovchinnikov). Mewn uwch-ddargludedd, mae electronau'n teithio mewn parau i gyfeiriadau dirgroes. Gan eu bod yn teithio ar yr un cyflymder, mae gan y parau Cooper hyn gyfanswm momentwm cinetig o sero. Ond yn y cyflwr FFLO, mae gwahaniaeth cyflymder bach ac felly nid yw'r momentwm cinetig yn sero. Hyd yn hyn, nid yw'r cyflwr hwn erioed wedi'i astudio'n iawn mewn arbrofion.

“Rydyn ni wedi cwrdd â bron pob un o'r rhagofynion i baratoi cyflwr FFLO yn ein dyfais,” meddai Ye. “Ond mae’r cyflwr yn fregus iawn ac yn cael ei effeithio’n sylweddol gan halogiadau ar wyneb ein deunydd. Bydd angen i ni, felly, ailadrodd yr arbrofion gyda samplau glanach.”

Gyda'r haen ddeuol crog o ddad-sulffid molybdenwm, mae gan Ye a'i gydweithwyr yr holl gynhwysion sydd eu hangen i astudio rhai cyflyrau dargludo arbennig. “Mae hon yn wyddoniaeth wirioneddol sylfaenol a allai ddod â newidiadau cysyniadol inni.”