Suprajohtavissa materiaaleissa sähkövirta kulkee ilman vastusta. Tälle ilmiölle on olemassa useita käytännön sovelluksia; Monet perustavanlaatuiset kysymykset ovat kuitenkin vielä vaille vastausta. Apulaisprofessori Justin Ye, Groningenin yliopiston Device Physics of Complex Materials -ryhmän johtaja, tutki suprajohtavuutta molybdeenidisulfidin kaksoiskerroksessa ja löysi uusia suprajohtavia tiloja. Tulokset julkaistiin Nature Nanotechnology -lehdessä 4. marraskuuta.

Suprajohtavuus on osoitettu esimerkiksi molybdeenidisulfidin tai volframidisulfidin yksikerroksisissa kiteissä, joiden paksuus on vain kolme atomia. "Molemmissa yksikerroksisissa kerroksessa on erityinen suprajohtavuus, jossa sisäinen magneettikenttä suojaa suprajohtavaa tilaa ulkoisilta magneettikentiltä", Ye selittää. Normaali suprajohtavuus katoaa, kun suuri ulkoinen magneettikenttä kohdistetaan, mutta tämä Ising-suprajohtavuus on vahvasti suojattu. Jopa Euroopan vahvimmassa staattisessa magneettikentässä, jonka vahvuus on 37 Teslaa, volframidisulfidin suprajohtavuus ei osoita mitään muutosta. Vaikka näin vahva suoja on hienoa, seuraava haaste on kuitenkin löytää tapa hallita tätä suojaavaa vaikutusta sähkökentän avulla.

Uusia suprajohtavia tiloja

Te ja hänen työtoverinsa tutkivat molybdeenidisulfidin kaksoiskerrosta: "Tässä kokoonpanossa näiden kahden kerroksen välinen vuorovaikutus luo uusia suprajohtavia tiloja." Ye loi suspendoidun kaksoiskerroksen, jonka molemmilla puolilla on ionista nestettä, jota voidaan käyttää sähkökentän luomiseen kaksoiskerroksen poikki. "Yksittäisessä yksikerroksessa tällainen kenttä on epäsymmetrinen, ja toisella puolella on positiivisia ioneja ja toisella puolella negatiivisia varauksia. Kaksikerroksisessa kerroksessa voimme kuitenkin indusoida saman määrän varausta molemmissa yksikerroksisissa kerroksissa, mikä luo symmetrisen järjestelmän”, Ye selittää. Näin syntynyttä sähkökenttää voitiin käyttää suprajohtavuuden kytkemiseen päälle ja pois. Tämä tarkoittaa, että luotiin suprajohtava transistori, joka voidaan portilla ionisen nesteen läpi.

Kaksoiskerroksessa Ising-suojaus ulkoisia magneettikenttiä vastaan ​​katoaa. "Tämä tapahtuu kahden kerroksen välisen vuorovaikutuksen muutoksista." Sähkökenttä voi kuitenkin palauttaa suojan. "Suojaustasosta tulee funktio siitä, kuinka vahvasti suojaat laitteen."

Cooperin parit

Suprajohtavan transistorin luomisen lisäksi Ye ja hänen kollegansa tekivät toisen kiehtovan havainnon. Vuonna 1964 ennustettiin erityisen suprajohtavan tilan olemassaoloa, nimeltään FFLO-tila (nimetty sen ennustaneiden tiedemiesten mukaan: Fulde, Ferrell, Larkin ja Ovchinnikov). Suprajohtavuudessa elektronit kulkevat pareittain vastakkaisiin suuntiin. Koska ne kulkevat samalla nopeudella, näiden Cooper-parien kineettinen liikemäärä on nolla. Mutta FFLO-tilassa on pieni nopeusero ja siksi liikemäärä ei ole nolla. Toistaiseksi tätä tilaa ei ole koskaan kunnolla tutkittu kokeissa.

"Olemme täytetty lähes kaikki edellytykset valmistella FFLO-tila laitteemme", sanoo Ye. "Mutta tila on erittäin hauras, ja materiaalimme pinnalla olevat kontaminaatiot vaikuttavat siihen merkittävästi. Siksi meidän on toistettava kokeet puhtaammilla näytteillä."

Molybdeenidisulfidin suspendoidun kaksoiskerroksen ansiosta Ye ja yhteistyökumppanit saavat kaikki aineosat, joita tarvitaan joidenkin erityisten suprajohtavien tilojen tutkimiseen. "Tämä on todella perustiede, joka saattaa tuoda meille käsitteellisiä muutoksia."