I supraledande material kommer en elektrisk ström att flyta utan motstånd. Det finns en hel del praktiska tillämpningar av detta fenomen; Men många grundläggande frågor är fortfarande obesvarade. Docent Justin Ye, chef för gruppen Device Physics of Complex Materials vid universitetet i Groningen, studerade supraledning i ett dubbelskikt av molybdendisulfid och upptäckte nya supraledande tillstånd. Resultaten publicerades i tidskriften Nature Nanotechnology den 4 november.

Supraledning har visats i enskiktskristaller av till exempel molybdendisulfid eller volframdisulfid som har en tjocklek på bara tre atomer. "I båda monoskikten finns det en speciell typ av supraledning där ett internt magnetfält skyddar det supraledande tillståndet från externa magnetfält", förklarar Ye. Normal supraledning försvinner när ett stort externt magnetfält appliceras, men denna Ising-supraledning är starkt skyddad. Även i det starkaste statiska magnetfältet i Europa, som har en styrka på 37 Tesla, visar inte supraledningsförmågan i volframdisulfid någon förändring. Men även om det är fantastiskt att ha ett så starkt skydd, är nästa utmaning att hitta ett sätt att kontrollera denna skyddande effekt, genom att applicera ett elektriskt fält.

Nya supraledande tillstånd

Ye och hans medarbetare studerade ett dubbelt lager av molybdendisulfid: "I den konfigurationen skapar interaktionen mellan de två lagren nya supraledande tillstånd." Ye skapade ett suspenderat dubbelskikt, med en jonisk vätska på båda sidor som kan användas för att skapa ett elektriskt fält över dubbelskiktet. "I det enskilda monoskiktet kommer ett sådant fält att vara asymmetriskt, med positiva joner på ena sidan och negativa laddningar inducerade på den andra. Men i dubbelskiktet kan vi få samma mängd laddning inducerad vid båda monoskikten, vilket skapar ett symmetriskt system”, förklarar Ye. Det elektriska fältet som sålunda skapades kunde användas för att slå på och av supraledning. Detta innebär att en supraledande transistor skapades som kunde grindas genom den joniska vätskan.

I dubbelskiktet försvinner Ising-skyddet mot yttre magnetfält. "Detta händer på grund av förändringar i interaktionen mellan de två lagren." Det elektriska fältet kan dock återställa skyddet. "Skyddsnivån blir en funktion av hur starkt du grindar enheten."

Cooper parar

Förutom att skapa en supraledande transistor, gjorde Ye och hans kollegor ytterligare en spännande observation. 1964 förutspåddes ett speciellt supraledande tillstånd, kallat FFLO-tillståndet (uppkallat efter forskarna som förutspådde det: Fulde, Ferrell, Larkin och Ovchinnikov). I supraledning färdas elektroner parvis i motsatta riktningar. Eftersom de färdas med samma hastighet har dessa Cooper-par en total kinetisk rörelsemängd på noll. Men i FFLO-tillståndet är det en liten hastighetsskillnad och därför är det kinetiska momentumet inte noll. Hittills har detta tillstånd aldrig studerats ordentligt i experiment.

"Vi har uppfyllt nästan alla förutsättningar för att förbereda FFLO-tillståndet i vår enhet", säger Ye. "Men staten är mycket bräcklig och påverkas avsevärt av föroreningar på ytan av vårt material. Vi kommer därför att behöva upprepa experimenten med renare prover.”

Med det suspenderade dubbelskiktet av molybdendisulfid har Ye och medarbetare alla ingredienser som behövs för att studera några speciella supraledande tillstånd. "Detta är verkligen grundläggande vetenskap som kan ge oss konceptuella förändringar."