В сверхпроводящих материалах электрический ток течет без всякого сопротивления. Существует немало практических применений этого явления; однако многие фундаментальные вопросы остаются пока без ответа. Доцент Джастин Йе, руководитель группы физики устройств сложных материалов в Университете Гронингена, изучал сверхпроводимость в двойном слое дисульфида молибдена и обнаружил новые сверхпроводящие состояния. Результаты были опубликованы в журнале Nature Nanotechnology 4 ноября.

Сверхпроводимость была показана в монослойных кристаллах, например, дисульфида молибдена или дисульфида вольфрама, имеющих толщину всего три атома. «В обоих монослоях существует особый тип сверхпроводимости, при котором внутреннее магнитное поле защищает сверхпроводящее состояние от внешних магнитных полей», — объясняет Йе. Нормальная сверхпроводимость исчезает при приложении большого внешнего магнитного поля, но эта изинговская сверхпроводимость сильно защищена. Даже в самом сильном статическом магнитном поле Европы, напряженность которого составляет 37 Тесла, сверхпроводимость дисульфида вольфрама не демонстрирует никаких изменений. Однако, хотя иметь такую ​​сильную защиту – это здорово, следующая задача – найти способ контролировать этот защитный эффект, применяя электрическое поле.

Новые сверхпроводящие состояния

Йе и его коллеги изучили двойной слой дисульфида молибдена: «В этой конфигурации взаимодействие между двумя слоями создает новые сверхпроводящие состояния». Йе создал подвешенный двойной слой с ионной жидкостью с обеих сторон, которую можно использовать для создания электрического поля поперек бислоя. «В отдельном монослое такое поле будет асимметричным: с одной стороны будут положительные ионы, а с другой — индуцированные отрицательные заряды. Однако в бислое мы можем иметь одинаковое количество зарядов, индуцированных в обоих монослоях, создавая симметричную систему», — объясняет Йе. Созданное таким образом электрическое поле можно было использовать для включения и выключения сверхпроводимости. Это означает, что был создан сверхпроводящий транзистор, который можно открыть через ионную жидкость.

В двойном слое исчезает Изинговская защита от внешних магнитных полей. «Это происходит из-за изменений во взаимодействии между двумя слоями». Однако электрическое поле может восстановить защиту. «Уровень защиты зависит от того, насколько сильно вы блокируете устройство».

Куперовые пары

Помимо создания сверхпроводящего транзистора, Йе и его коллеги сделали еще одно интригующее наблюдение. В 1964 году было предсказано существование особого сверхпроводящего состояния, получившего название состояния FFLO (названного в честь предсказавших его учёных: Фульде, Феррелла, Ларкина и Овчинникова). В сверхпроводимости электроны движутся парами в противоположных направлениях. Поскольку они движутся с одинаковой скоростью, общий кинетический момент этих куперовских пар равен нулю. Но в состоянии FFLO разница скоростей небольшая и поэтому кинетический момент не равен нулю. До сих пор это состояние никогда должным образом не изучалось в экспериментах.

«Мы выполнили практически все необходимые условия для подготовки состояния FFLO в нашем устройстве», — говорит Е. «Но состояние очень хрупкое и на него существенно влияют загрязнения на поверхности нашего материала. Поэтому нам придется повторить эксперименты с более чистыми образцами».

Благодаря взвешенному бислою дисульфида молибдена Йе и его коллеги получили все ингредиенты, необходимые для изучения некоторых особых сверхпроводящих состояний. «Это действительно фундаментальная наука, которая может принести нам концептуальные изменения».