I superledende materialer vil en elektrisk strøm flyde uden nogen modstand. Der er en del praktiske anvendelser af dette fænomen; men mange grundlæggende spørgsmål er endnu ubesvarede. Lektor Justin Ye, leder af gruppen Device Physics of Complex Materials ved University of Groningen, studerede superledning i et dobbeltlag af molybdændisulfid og opdagede nye superledende tilstande. Resultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet Nature Nanotechnology den 4. november.

Superledningsevne er blevet vist i monolagskrystaller af for eksempel molybdændisulfid eller wolframdisulfid, der kun har en tykkelse på tre atomer. "I begge monolag er der en særlig type superledning, hvor et internt magnetfelt beskytter den superledende tilstand mod eksterne magnetfelter," forklarer Ye. Normal superledning forsvinder, når et stort eksternt magnetfelt påføres, men denne Ising superledning er stærkt beskyttet. Selv i det stærkeste statiske magnetfelt i Europa, som har en styrke på 37 Tesla, viser superledningsevnen i wolframdisulfid ingen ændring. Men selvom det er fantastisk at have så stærk beskyttelse, er den næste udfordring at finde en måde at kontrollere denne beskyttende effekt ved at påføre et elektrisk felt.

Nye superledende stater

Ye og hans samarbejdspartnere studerede et dobbeltlag af molybdændisulfid: "I den konfiguration skaber interaktionen mellem de to lag nye superledende tilstande." Ye skabte et suspenderet dobbeltlag med en ionisk væske på begge sider, der kan bruges til at skabe et elektrisk felt på tværs af dobbeltlaget. ”I det enkelte monolag vil et sådant felt være asymmetrisk, med positive ioner på den ene side og negative ladninger induceret på den anden. Men i dobbeltlaget kan vi få den samme mængde ladning induceret ved begge monolag, hvilket skaber et symmetrisk system,” forklarer Ye. Det elektriske felt, der således blev skabt, kunne bruges til at tænde og slukke for superledning. Det betyder, at der blev skabt en superledende transistor, som kunne lukkes gennem den ioniske væske.

I dobbeltlaget forsvinder Ising-beskyttelsen mod eksterne magnetfelter. "Dette sker på grund af ændringer i samspillet mellem de to lag." Det elektriske felt kan dog genoprette beskyttelsen. "Beskyttelsesniveauet bliver en funktion af, hvor stærkt du gate enheden."

Cooper parrer

Udover at skabe en superledende transistor lavede Ye og hans kolleger endnu en spændende observation. I 1964 blev der forudsagt en særlig superledende tilstand, kaldet FFLO-staten (opkaldt efter de videnskabsmænd, der forudsagde den: Fulde, Ferrell, Larkin og Ovchinnikov). I superledningsevne bevæger elektroner sig i par i modsatte retninger. Da de rejser med samme hastighed, har disse Cooper-par et totalt kinetisk momentum på nul. Men i FFLO-tilstanden er der en lille hastighedsforskel, og derfor er det kinetiske momentum ikke nul. Indtil videre er denne tilstand aldrig blevet ordentligt undersøgt i eksperimenter.

"Vi har opfyldt næsten alle forudsætningerne for at forberede FFLO-tilstanden i vores enhed," siger Ye. "Men staten er meget skrøbelig og er betydeligt påvirket af forurening på overfladen af ​​vores materiale. Vi bliver derfor nødt til at gentage forsøgene med renere prøver.”

Med det suspenderede dobbeltlag af molybdændisulfid har Ye og samarbejdspartnere alle de nødvendige ingredienser til at studere nogle specielle superledende tilstande. "Dette er virkelig grundlæggende videnskab, der kan bringe os konceptuelle ændringer."