Στα υπεραγώγιμα υλικά, ένα ηλεκτρικό ρεύμα θα ρέει χωρίς αντίσταση. Υπάρχουν αρκετές πρακτικές εφαρμογές αυτού του φαινομένου. Ωστόσο, πολλά θεμελιώδη ερωτήματα παραμένουν ακόμη αναπάντητα. Ο αναπληρωτής καθηγητής Justin Ye, επικεφαλής της ομάδας Device Physics of Complex Materials στο Πανεπιστήμιο του Groningen, μελέτησε την υπεραγωγιμότητα σε ένα διπλό στρώμα δισουλφιδίου του μολυβδαινίου και ανακάλυψε νέες υπεραγώγιμες καταστάσεις. Τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Nature Nanotechnology στις 4 Νοεμβρίου.

Η υπεραγωγιμότητα έχει αποδειχθεί σε κρυστάλλους μονοστοιβάδας, για παράδειγμα, δισουλφιδίου του μολυβδαινίου ή δισουλφιδίου βολφραμίου που έχουν πάχος μόλις τριών ατόμων. «Και στις δύο μονοστιβάδες, υπάρχει ένας ειδικός τύπος υπεραγωγιμότητας στον οποίο ένα εσωτερικό μαγνητικό πεδίο προστατεύει την υπεραγώγιμη κατάσταση από εξωτερικά μαγνητικά πεδία», εξηγεί ο Ye. Η κανονική υπεραγωγιμότητα εξαφανίζεται όταν εφαρμόζεται ένα μεγάλο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, αλλά αυτή η υπεραγωγιμότητα Ising προστατεύεται ισχυρά. Ακόμη και στο ισχυρότερο στατικό μαγνητικό πεδίο της Ευρώπης, που έχει ισχύ 37 Tesla, η υπεραγωγιμότητα στο δισουλφίδιο του βολφραμίου δεν παρουσιάζει καμία αλλαγή. Ωστόσο, αν και είναι υπέροχο να έχουμε τόσο ισχυρή προστασία, η επόμενη πρόκληση είναι να βρούμε έναν τρόπο να ελέγξουμε αυτό το προστατευτικό αποτέλεσμα, εφαρμόζοντας ένα ηλεκτρικό πεδίο.

Νέες υπεραγώγιμες καταστάσεις

Ο Ye και οι συνεργάτες του μελέτησαν ένα διπλό στρώμα δισουλφιδίου του μολυβδαινίου: «Σε αυτή τη διαμόρφωση, η αλληλεπίδραση μεταξύ των δύο στρωμάτων δημιουργεί νέες υπεραγώγιμες καταστάσεις». Ο Ye δημιουργήσατε ένα αιωρούμενο διπλό στρώμα, με ένα ιοντικό υγρό και στις δύο πλευρές που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία ηλεκτρικού πεδίου κατά μήκος της διπλής στρώσης. «Στην μεμονωμένη μονοστιβάδα, ένα τέτοιο πεδίο θα είναι ασύμμετρο, με θετικά ιόντα στη μία πλευρά και αρνητικά φορτία που προκαλούνται από την άλλη. Ωστόσο, στη διπλή στιβάδα, μπορούμε να έχουμε την ίδια ποσότητα φορτίου που προκαλείται και στις δύο μονοστιβάδες, δημιουργώντας ένα συμμετρικό σύστημα», εξηγεί ο Ye. Το ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργήθηκε έτσι θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την ενεργοποίηση και απενεργοποίηση της υπεραγωγιμότητας. Αυτό σημαίνει ότι δημιουργήθηκε ένα υπεραγώγιμο τρανζίστορ που θα μπορούσε να περάσει μέσα από το ιοντικό υγρό.

Στο διπλό στρώμα, η προστασία Ising από εξωτερικά μαγνητικά πεδία εξαφανίζεται. "Αυτό συμβαίνει λόγω αλλαγών στην αλληλεπίδραση μεταξύ των δύο στρωμάτων." Ωστόσο, το ηλεκτρικό πεδίο μπορεί να αποκαταστήσει την προστασία. "Το επίπεδο προστασίας εξαρτάται από το πόσο δυνατά κλείνεις τη συσκευή."

Ζεύγη Cooper

Εκτός από τη δημιουργία ενός υπεραγώγιμου τρανζίστορ, ο Ye και οι συνεργάτες του έκαναν άλλη μια ενδιαφέρουσα παρατήρηση. Το 1964, είχε προβλεφθεί η ύπαρξη μιας ειδικής υπεραγώγιμης κατάστασης, που ονομάζεται κατάσταση FFLO (που πήρε το όνομά της από τους επιστήμονες που την προέβλεψαν: Fulde, Ferrell, Larkin και Ovchinnikov). Στην υπεραγωγιμότητα, τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν σε ζεύγη σε αντίθετες κατευθύνσεις. Δεδομένου ότι ταξιδεύουν με την ίδια ταχύτητα, αυτά τα ζεύγη Cooper έχουν συνολική κινητική ορμή μηδέν. Αλλά στην κατάσταση FFLO, υπάρχει μια μικρή διαφορά ταχύτητας και επομένως η κινητική ορμή δεν είναι μηδέν. Μέχρι στιγμής, αυτή η κατάσταση δεν έχει μελετηθεί ποτέ σωστά σε πειράματα.

«Έχουμε εκπληρώσει σχεδόν όλες τις προϋποθέσεις για να προετοιμάσουμε την κατάσταση FFLO στη συσκευή μας», λέει ο Ye. «Αλλά η κατάσταση είναι πολύ εύθραυστη και επηρεάζεται σημαντικά από τις μολύνσεις στην επιφάνεια του υλικού μας. Επομένως, θα χρειαστεί να επαναλάβουμε τα πειράματα με καθαρότερα δείγματα».

Με την αιωρούμενη διπλή στιβάδα δισουλφιδίου του μολυβδαινίου, ο Ye και οι συνεργάτες του έχουν όλα τα συστατικά που χρειάζονται για να μελετήσουν ορισμένες ειδικές υπεραγώγιμες καταστάσεις. «Αυτή είναι πραγματικά θεμελιώδης επιστήμη που μπορεί να μας φέρει εννοιολογικές αλλαγές».