ในวัสดุที่มีตัวนำยิ่งยวด กระแสไฟฟ้าจะไหลโดยไม่มีความต้านทานใดๆ มีการประยุกต์ใช้ปรากฏการณ์นี้ในทางปฏิบัติค่อนข้างน้อย อย่างไรก็ตาม คำถามพื้นฐานหลายข้อยังคงไม่ได้รับคำตอบ รองศาสตราจารย์ Justin Ye หัวหน้ากลุ่ม Device Physics of Complex Materials ที่มหาวิทยาลัย Groningen ศึกษาความเป็นตัวนำยิ่งยวดในชั้นโมลิบดีนัมไดซัลไฟด์ 2 ชั้น และค้นพบสถานะตัวนำยิ่งยวดใหม่ ผลลัพธ์ถูกตีพิมพ์ในวารสาร Nature Nanotechnology เมื่อวันที่ 4 พฤศจิกายน

ความเป็นตัวนำยิ่งยวดแสดงให้เห็นในผลึกชั้นเดียว เช่น โมลิบดีนัมไดซัลไฟด์หรือทังสเตนไดซัลไฟด์ที่มีความหนาเพียงสามอะตอม “ในชั้นเดียวทั้งสองชั้น มีตัวนำยิ่งยวดชนิดพิเศษซึ่งสนามแม่เหล็กภายในจะปกป้องสถานะตัวนำยิ่งยวดจากสนามแม่เหล็กภายนอก” Ye อธิบาย ตัวนำยิ่งยวดปกติจะหายไปเมื่อมีการใช้สนามแม่เหล็กภายนอกขนาดใหญ่ แต่ความเป็นตัวนำยิ่งยวดแบบ Ising นี้ได้รับการปกป้องอย่างแน่นหนา แม้แต่ในสนามแม่เหล็กคงที่ที่แรงที่สุดในยุโรป ซึ่งมีความแข็งแกร่งถึง 37 เทสลา ความเป็นตัวนำยิ่งยวดในทังสเตนไดซัลไฟด์ก็ไม่แสดงการเปลี่ยนแปลงใดๆ อย่างไรก็ตาม แม้ว่าการป้องกันที่แข็งแกร่งเช่นนี้จะเป็นเรื่องดี แต่ความท้าทายต่อไปคือการหาวิธีควบคุมผลการป้องกันนี้ด้วยการใช้สนามไฟฟ้า

สถานะของตัวนำยิ่งยวดใหม่

Ye และผู้ร่วมงานของเขาได้ศึกษาโมลิบดีนัมไดซัลไฟด์สองชั้น: "ในรูปแบบนั้น ปฏิสัมพันธ์ระหว่างสองชั้นจะสร้างสถานะตัวนำยิ่งยวดใหม่" Ye ได้สร้างชั้นลอยสองชั้นขึ้น โดยมีของเหลวไอออนิกอยู่ทั้งสองด้าน ซึ่งสามารถใช้สร้างสนามไฟฟ้าผ่านชั้นสองชั้นได้ “ในชั้นเดียวแต่ละชั้น สนามดังกล่าวจะไม่สมมาตร โดยมีไอออนบวกอยู่ที่ด้านหนึ่งและมีประจุลบเกิดขึ้นที่อีกด้านหนึ่ง อย่างไรก็ตาม ในชั้นสองชั้น เราสามารถมีประจุที่เหนี่ยวนำให้เกิดเท่ากันที่ชั้นชั้นเดียวทั้งสองชั้นได้ ซึ่งทำให้เกิดระบบสมมาตร” Ye อธิบาย สนามไฟฟ้าที่ถูกสร้างขึ้นสามารถใช้เพื่อเปิดและปิดตัวนำยิ่งยวดได้ ซึ่งหมายความว่ามีการสร้างทรานซิสเตอร์ตัวนำยิ่งยวดขึ้นซึ่งสามารถกั้นผ่านของเหลวไอออนิกได้

ในสองชั้น การป้องกัน Ising จากสนามแม่เหล็กภายนอกจะหายไป “สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงปฏิสัมพันธ์ระหว่างสองชั้น” อย่างไรก็ตาม สนามไฟฟ้าสามารถฟื้นฟูการป้องกันได้ “ระดับการป้องกันจะขึ้นอยู่กับความแข็งแกร่งของคุณในการเข้าประตูอุปกรณ์”

คู่คูเปอร์

นอกเหนือจากการสร้างทรานซิสเตอร์ตัวนำยิ่งยวดแล้ว Ye และเพื่อนร่วมงานของเขายังได้สังเกตการณ์ที่น่าสนใจอีกประการหนึ่ง ในปีพ.ศ. 2507 คาดการณ์ว่าจะมีสถานะตัวนำยิ่งยวดพิเศษอยู่ เรียกว่า สถานะ FFLO (ตั้งชื่อตามนักวิทยาศาสตร์ผู้ทำนาย: ฟุลเด เฟอร์เรลล์ ลาร์กิน และออฟชินนิคอฟ) ในความเป็นตัวนำยิ่งยวด อิเล็กตรอนจะเดินทางเป็นคู่ในทิศทางตรงกันข้าม เนื่องจากพวกมันเดินทางด้วยความเร็วเท่ากัน คู่คูเปอร์เหล่านี้จึงมีโมเมนตัมจลน์รวมเป็นศูนย์ แต่ในสถานะ FFLO มีความแตกต่างความเร็วเล็กน้อย ดังนั้นโมเมนตัมจลน์จึงไม่เป็นศูนย์ จนถึงขณะนี้ยังไม่เคยมีการศึกษาสถานะนี้อย่างถูกต้องในการทดลอง

“เราได้ปฏิบัติตามข้อกำหนดเบื้องต้นเกือบทั้งหมดเพื่อเตรียมสถานะ FFLO ในอุปกรณ์ของเรา” Ye กล่าว “แต่สภาพเปราะบางมากและได้รับผลกระทบอย่างมากจากการปนเปื้อนบนพื้นผิววัสดุของเรา ดังนั้นเราจึงจำเป็นต้องทำการทดลองซ้ำกับตัวอย่างที่สะอาดกว่า”

ด้วยชั้นแขวนลอยของโมลิบดีนัมไดซัลไฟด์ คุณและผู้ร่วมงานมีส่วนผสมทั้งหมดที่จำเป็นในการศึกษาสถานะของตัวนำยิ่งยวดพิเศษบางอย่าง “นี่เป็นวิทยาศาสตร์พื้นฐานอย่างแท้จริงที่อาจนำเราไปสู่การเปลี่ยนแปลงแนวความคิด”