בחומרים מוליכים, זרם חשמלי יזרום ללא כל התנגדות. יש לא מעט יישומים מעשיים לתופעה זו; עם זאת, שאלות בסיסיות רבות נותרו עדיין ללא מענה. פרופסור חבר ג'סטין יה, ראש קבוצת ה-Device Physics of Complex Materials באוניברסיטת חרונינגן, חקר מוליכות-על בשכבה כפולה של מוליבדן דיסולפיד וגילה מצבים מוליכים-על חדשים. התוצאות פורסמו בכתב העת Nature Nanotechnology ב-4 בנובמבר.

מוליכות-על הוכחה בגבישים חד-שכבתיים של, למשל, מוליבדן דיסולפיד או טונגסטן דיסולפיד בעלי עובי של שלושה אטומים בלבד. "בשתי השכבות המונו-שכבות, קיים סוג מיוחד של מוליכות-על שבה שדה מגנטי פנימי מגן על המצב המוליך מפני שדות מגנטיים חיצוניים", מסביר יה. מוליכות-על רגילה נעלמת כאשר מופעל שדה מגנטי חיצוני גדול, אך מוליכות-על זו של Ising מוגנת היטב. אפילו בשדה המגנטי הסטטי החזק ביותר באירופה, בעל חוזק של 37 טסלה, מוליכות העל בטונגסטן דיסולפיד לא מראה שום שינוי. עם זאת, למרות שזה נהדר לקבל הגנה כל כך חזקה, האתגר הבא הוא למצוא דרך לשלוט באפקט המגן הזה, על ידי הפעלת שדה חשמלי.

מדינות מוליכות-על חדשות

יה ומשתפי הפעולה שלו חקרו שכבה כפולה של מוליבדן דיסולפיד: "בתצורה זו, האינטראקציה בין שתי השכבות יוצרת מצבים מוליכים-על חדשים." יי יצר שכבה כפולה תלויה, עם נוזל יוני משני הצדדים שניתן להשתמש בו כדי ליצור שדה חשמלי על פני השכבה הדו-שכבתית. "במונו-שכבה הבודדת, שדה כזה יהיה א-סימטרי, עם יונים חיוביים בצד אחד ומטענים שליליים המושרים בצד השני. עם זאת, בשכבה הדו-שכבה, יכולה להיות לנו אותה כמות מטען המושרה בשתי השכבות המונו-שכבות, וליצור מערכת סימטרית", מסביר Ye. השדה החשמלי שנוצר כך יכול לשמש כדי להפעיל ולכבות מוליכות-על. משמעות הדבר היא שנוצר טרנזיסטור מוליך-על שיכול להיות משוער דרך הנוזל היוני.

בשכבה הכפולה נעלמת הגנת Ising מפני שדות מגנטיים חיצוניים. "זה קורה בגלל שינויים באינטראקציה בין שני השכבות." עם זאת, השדה החשמלי יכול לשחזר את ההגנה. "רמת ההגנה הופכת לפונקציה של עוצמת השער של המכשיר."

זוגות קופר

מלבד יצירת טרנזיסטור מוליך-על, יה ועמיתיו ערכו עוד תצפית מסקרנת. בשנת 1964 נחזה מצב מוליך-על מיוחד, שנקרא מצב FFLO (על שם המדענים שחזו אותו: פולד, פארל, לארקין ואובצ'יניקוב). במוליכות-על, אלקטרונים נעים בזוגות בכיוונים מנוגדים. מכיוון שהם נעים באותה מהירות, לזוגות קופר אלה יש מומנטום קינטי כולל של אפס. אבל במצב FFLO, יש הבדל מהירות קטן ולכן המומנטום הקינטי אינו אפס. עד כה, מצב זה מעולם לא נחקר כראוי בניסויים.

"עמדנו כמעט בכל התנאים המוקדמים כדי להכין את מצב FFLO במכשיר שלנו", אומר Ye. "אבל המדינה מאוד שברירית ומושפעת משמעותית מזיהומים על פני החומר שלנו. לכן נצטרך לחזור על הניסויים עם דגימות נקיות יותר".

עם השכבה הדו-שכבה המרחפת של מוליבדן דיסולפיד, ל-Ye ולשתפי פעולה יש את כל המרכיבים הדרושים כדי לחקור כמה מצבי מוליכות-על מיוחדים. "זהו באמת מדע בסיסי שעשוי להביא לנו שינויים רעיוניים."