W materiałach nadprzewodzących prąd elektryczny będzie płynął bez żadnego oporu. Istnieje sporo praktycznych zastosowań tego zjawiska; jednakże wiele podstawowych pytań pozostaje nadal bez odpowiedzi. Profesor nadzwyczajny Justin Ye, kierownik grupy Fizyki Urządzeń Materiałów Złożonych na Uniwersytecie w Groningen, badał nadprzewodnictwo w podwójnej warstwie dwusiarczku molibdenu i odkrył nowe stany nadprzewodzące. Wyniki opublikowano 4 listopada w czasopiśmie Nature Nanotechnology.

Nadprzewodnictwo wykazano w jednowarstwowych kryształach, na przykład dwusiarczku molibdenu lub dwusiarczku wolframu, które mają grubość zaledwie trzech atomów. „W obu monowarstwach występuje szczególny rodzaj nadprzewodnictwa, w którym wewnętrzne pole magnetyczne chroni stan nadprzewodzący przed zewnętrznymi polami magnetycznymi” – wyjaśnia Ye. Normalne nadprzewodnictwo zanika, gdy przyłożone zostanie duże zewnętrzne pole magnetyczne, ale nadprzewodnictwo Isinga jest silnie chronione. Nawet w najsilniejszym statycznym polu magnetycznym w Europie, które ma siłę 37 Tesli, nadprzewodnictwo w dwusiarczku wolframu nie wykazuje żadnych zmian. Jednakże, choć wspaniale jest mieć tak silną ochronę, kolejnym wyzwaniem jest znalezienie sposobu na kontrolowanie tego efektu ochronnego poprzez przyłożenie pola elektrycznego.

Nowe stany nadprzewodzące

Ye i jego współpracownicy badali podwójną warstwę dwusiarczku molibdenu: „W tej konfiguracji interakcja między dwiema warstwami tworzy nowe stany nadprzewodzące”. Ye stworzył zawieszoną podwójną warstwę z cieczą jonową po obu stronach, którą można wykorzystać do wytworzenia pola elektrycznego w poprzek dwuwarstwy. „W pojedynczej monowarstwie takie pole będzie asymetryczne, z jonami dodatnimi po jednej stronie i indukowanymi ładunkami ujemnymi po drugiej. Jednak w dwuwarstwie możemy mieć tę samą ilość ładunku indukowaną w obu monowarstwach, tworząc układ symetryczny” – wyjaśnia Ye. Powstałe w ten sposób pole elektryczne można wykorzystać do włączania i wyłączania nadprzewodnictwa. Oznacza to, że stworzono tranzystor nadprzewodzący, który można bramkować przez ciecz jonową.

W warstwie podwójnej zanika ochrona Isinga przed zewnętrznymi polami magnetycznymi. „Dzieje się tak z powodu zmian w interakcji między dwiema warstwami”. Jednakże pole elektryczne może przywrócić ochronę. „Poziom ochrony zależy od tego, jak mocno zabezpieczysz urządzenie”.

Pary Coopera

Oprócz stworzenia tranzystora nadprzewodzącego Ye i jego współpracownicy dokonali jeszcze jednej intrygującej obserwacji. W 1964 roku przewidywano istnienie specjalnego stanu nadprzewodzącego, zwanego stanem FFLO (nazwanym na cześć naukowców, którzy go przewidzieli: Fulde, Ferrell, Larkin i Ovchinnikov). W nadprzewodnictwie elektrony przemieszczają się parami w przeciwnych kierunkach. Ponieważ poruszają się z tą samą prędkością, te pary Coopera mają całkowity pęd kinetyczny równy zero. Ale w stanie FFLO występuje niewielka różnica prędkości i dlatego pęd kinetyczny nie jest zerowy. Jak dotąd stan ten nie został właściwie zbadany w eksperymentach.

„Spełniliśmy prawie wszystkie wymagania wstępne, aby przygotować stan FFLO w naszym urządzeniu” – mówi Ye. „Ale stan ten jest bardzo delikatny i znacząco wpływają na niego zanieczyszczenia na powierzchni naszego materiału. Będziemy zatem musieli powtórzyć eksperymenty z czystszymi próbkami”.

Dzięki zawieszonej dwuwarstwie dwusiarczku molibdenu Ye i współpracownicy mają wszystkie składniki potrzebne do badania niektórych specjalnych stanów nadprzewodzących. „To naprawdę podstawowa nauka, która może przynieść nam zmiany koncepcyjne”.