I superledende materialer vil en elektrisk strøm flyte uten motstand. Det er ganske mange praktiske anvendelser av dette fenomenet; men mange grunnleggende spørsmål er ennå ubesvart. Førsteamanuensis Justin Ye, leder av gruppen Device Physics of Complex Materials ved Universitetet i Groningen, studerte superledning i et dobbeltlag av molybdendisulfid og oppdaget nye superledende tilstander. Resultatene ble publisert i tidsskriftet Nature Nanotechnology 4. november.

Superledningsevne er vist i monolagskrystaller av for eksempel molybdendisulfid eller wolframdisulfid som har en tykkelse på bare tre atomer. "I begge monolagene er det en spesiell type superledning der et internt magnetfelt beskytter den superledende tilstanden mot eksterne magnetiske felt," forklarer Ye. Normal superledning forsvinner når et stort eksternt magnetfelt påføres, men denne Ising-superledningsevnen er sterkt beskyttet. Selv i det sterkeste statiske magnetfeltet i Europa, som har en styrke på 37 Tesla, viser ikke superledningsevnen i wolframdisulfid noen endring. Men selv om det er flott å ha en så sterk beskyttelse, er neste utfordring å finne en måte å kontrollere denne beskyttende effekten på, ved å bruke et elektrisk felt.

Nye superledende stater

Ye og hans samarbeidspartnere studerte et dobbeltlag av molybdendisulfid: "I den konfigurasjonen skaper interaksjonen mellom de to lagene nye superledende tilstander." Ye skapte et suspendert dobbeltlag, med en ionisk væske på begge sider som kan brukes til å skape et elektrisk felt over dobbeltlaget. «I det enkelte monolag vil et slikt felt være asymmetrisk, med positive ioner på den ene siden og negative ladninger indusert på den andre. Men i tolaget kan vi få samme mengde ladning indusert i begge monolagene, og skape et symmetrisk system, forklarer Ye. Det elektriske feltet som dermed ble skapt kunne brukes til å slå superledning av og på. Dette betyr at det ble skapt en superledende transistor som kunne lukkes gjennom den ioniske væsken.

I dobbeltlaget forsvinner Ising-beskyttelsen mot eksterne magnetfelt. "Dette skjer på grunn av endringer i samspillet mellom de to lagene." Imidlertid kan det elektriske feltet gjenopprette beskyttelsen. "Beskyttelsesnivået blir en funksjon av hvor sterkt du sperrer enheten."

Cooper par

Bortsett fra å lage en superledende transistor, gjorde Ye og kollegene en annen spennende observasjon. I 1964 ble det spådd en spesiell superledende stat, kalt FFLO-staten (oppkalt etter forskerne som spådde den: Fulde, Ferrell, Larkin og Ovchinnikov). Ved superledning beveger elektroner seg parvis i motsatte retninger. Siden de reiser med samme hastighet, har disse Cooper-parene et totalt kinetisk momentum på null. Men i FFLO-tilstanden er det en liten hastighetsforskjell og derfor er det kinetiske momentumet ikke null. Så langt har denne tilstanden aldri blitt ordentlig studert i eksperimenter.

"Vi har møtt nesten alle forutsetningene for å forberede FFLO-tilstanden i enheten vår," sier Ye. "Men staten er veldig skjør og er betydelig påvirket av forurensninger på overflaten av materialet vårt. Vi må derfor gjenta forsøkene med renere prøver.»

Med det suspenderte dobbeltlaget av molybdendisulfid, har Ye og samarbeidspartnere alle ingrediensene som trengs for å studere noen spesielle superledende tilstander. "Dette er virkelig grunnleggende vitenskap som kan bringe oss konseptuelle endringer."