Trong vật liệu siêu dẫn, dòng điện sẽ chạy mà không có bất kỳ điện trở nào. Có khá nhiều ứng dụng thực tế của hiện tượng này; tuy nhiên, nhiều câu hỏi cơ bản vẫn chưa được trả lời. Phó giáo sư Justin Ye, người đứng đầu nhóm Vật lý thiết bị của Vật liệu phức tạp tại Đại học Groningen, đã nghiên cứu tính siêu dẫn trong một lớp molypden disulfide kép và phát hiện ra các trạng thái siêu dẫn mới. Kết quả được công bố trên tạp chí Nature Nanotechnology vào ngày 4 tháng 11.

Tính siêu dẫn đã được thể hiện trong các tinh thể đơn lớp, ví dụ, molybdenum disulphide hoặc vonfram disulfide có độ dày chỉ bằng ba nguyên tử. “Trong cả hai lớp đơn, có một loại siêu dẫn đặc biệt trong đó từ trường bên trong bảo vệ trạng thái siêu dẫn khỏi từ trường bên ngoài,” Ye giải thích. Chất siêu dẫn thông thường biến mất khi đặt một từ trường lớn bên ngoài vào, nhưng chất siêu dẫn Ising này được bảo vệ mạnh mẽ. Ngay cả trong từ trường tĩnh mạnh nhất ở châu Âu, nơi có cường độ 37 Tesla, tính siêu dẫn của vonfram disulfua cũng không có bất kỳ thay đổi nào. Tuy nhiên, mặc dù thật tuyệt vời khi có được sự bảo vệ mạnh mẽ như vậy nhưng thách thức tiếp theo là tìm cách kiểm soát tác dụng bảo vệ này bằng cách áp dụng một điện trường.

Trạng thái siêu dẫn mới

Ye và các cộng tác viên của ông đã nghiên cứu một lớp molypden disulfide kép: “Trong cấu hình đó, sự tương tác giữa hai lớp tạo ra các trạng thái siêu dẫn mới”. Ye đã tạo ra một lớp kép lơ lửng với chất lỏng ion ở cả hai mặt có thể được sử dụng để tạo ra điện trường trên lớp kép. “Trong từng lớp đơn lẻ, một trường như vậy sẽ không đối xứng, với các ion dương ở một bên và các điện tích âm cảm ứng ở bên kia. Tuy nhiên, trong lớp kép, chúng ta có thể tạo ra lượng điện tích như nhau ở cả hai lớp đơn, tạo ra một hệ đối xứng”, Ye giải thích. Do đó, điện trường được tạo ra có thể được sử dụng để bật và tắt tính siêu dẫn. Điều này có nghĩa là một bóng bán dẫn siêu dẫn đã được tạo ra có thể được dẫn qua chất lỏng ion.

Trong lớp kép, lớp bảo vệ Ising chống lại từ trường bên ngoài biến mất. “Điều này xảy ra do những thay đổi trong tương tác giữa hai lớp.” Tuy nhiên, điện trường có thể khôi phục khả năng bảo vệ. “Mức độ bảo vệ sẽ phụ thuộc vào mức độ bạn kiểm soát thiết bị.”

Cặp Cooper

Ngoài việc tạo ra một bóng bán dẫn siêu dẫn, Ye và các đồng nghiệp của ông còn thực hiện một quan sát hấp dẫn khác. Năm 1964, một trạng thái siêu dẫn đặc biệt được dự đoán sẽ tồn tại, được gọi là trạng thái FFLO (được đặt theo tên của các nhà khoa học đã dự đoán nó: Fulde, Ferrell, Larkin và Ovchinnikov). Trong hiện tượng siêu dẫn, các electron di chuyển theo cặp ngược chiều nhau. Vì chúng chuyển động với cùng tốc độ nên các cặp Cooper này có động năng tổng cộng bằng không. Nhưng ở trạng thái FFLO, có một sự chênh lệch tốc độ nhỏ và do đó động lượng không bằng không. Cho đến nay, trạng thái này chưa bao giờ được nghiên cứu chính xác trong thực nghiệm.

Ye cho biết: “Chúng tôi đã đáp ứng gần như tất cả các điều kiện tiên quyết để chuẩn bị trạng thái FFLO trong thiết bị của mình”. “Nhưng trạng thái rất mong manh và bị ảnh hưởng đáng kể bởi sự ô nhiễm trên bề mặt vật liệu của chúng tôi. Do đó, chúng tôi sẽ cần lặp lại các thí nghiệm với các mẫu sạch hơn.”

Với lớp kép molybdenum disulfide lơ lửng, Ye và các cộng tác viên có đủ thành phần cần thiết để nghiên cứu một số trạng thái siêu dẫn đặc biệt. “Đây thực sự là khoa học cơ bản có thể mang lại cho chúng ta những thay đổi về mặt khái niệm.”