Wissenschaftler der Universität Groningen und ihre internationalen Partner haben die Existenz eines supraleitenden Zustands, des FFLO, bestätigt, der 2017 theoretisch vorhergesagt wurde. Ihr Gerät, das eine Doppelschicht aus Molybdändisulfid zur Steuerung dieses Zustands nutzt, könnte das Gebiet der supraleitenden Elektronik erheblich voranbringen.
In einem bahnbrechenden Experiment arbeiteten Forscher der Universität Groningen mit ihren Kollegen von den Universitäten Nijmegen und Twente in den Niederlanden sowie dem Harbin Institute of Technology in China zusammen. Gemeinsam bestätigten sie die Existenz eines supraleitenden Zustands, der erstmals 2017 vorhergesagt wurde.
Ihre Ergebnisse, die Beweise für eine einzigartige Form des supraleitenden FFLO-Zustands liefern, wurden kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Natur. Dieser Durchbruch hat das Potenzial, Auswirkungen zu haben, insbesondere im Bereich der supraleitenden Elektronik.
Dies ist Professor Dr. Justin Ye, Leiter der Gruppe „Gerätephysik komplexer Materialien“ an der Universität Groningen, Niederlande, und Hauptautor des Nature-Artikels über den supraleitenden FFLO-Zustand. Bildnachweis: Sylvia Germes
Der Hauptautor des Papiers ist Professor Justin Ye, der die Gruppe „Gerätephysik komplexer Materialien“ an der Universität Groningen leitet. Ye und sein Team haben am supraleitenden Ising-Zustand gearbeitet. Dies ist ein besonderer Zustand, der Magnetfeldern widerstehen kann, die im Allgemeinen die Supraleitung zerstören, und der vom Team im Jahr 2015 beschrieben wurde.
Im Jahr 2019 entwickelten sie ein Gerät aus einer Doppelschicht aus Molybdändisulfid, das die in den beiden Schichten vorhandenen Ising-Supraleitungszustände koppeln konnte. Interessanterweise ermöglicht das von Ye und seinem Team entwickelte Gerät das Ein- und Ausschalten dieses Schutzes mithilfe eines elektrischen Felds, wodurch ein supraleitender Transistor entsteht.
Schwer fassbar
Das gekoppelte Ising-Supraleitergerät wirft Licht auf eine seit langem bestehende Herausforderung auf dem Gebiet der Supraleitung. Im Jahr 1964 sagten vier Wissenschaftler (Fulde, Ferrell, Larkin und Ovchinnikov) einen besonderen supraleitenden Zustand voraus, der unter Bedingungen niedriger Temperatur und eines starken Magnetfelds existieren könnte, der als FFLO-Zustand bezeichnet wird.
In der Standard-Supraleitung bewegen sich Elektronen als Cooper-Paare in entgegengesetzte Richtungen. Da sie sich mit der gleichen Geschwindigkeit fortbewegen, haben diese Elektronen einen Gesamtimpuls von Null. Allerdings gibt es im FFLO-Zustand einen kleinen Geschwindigkeitsunterschied zwischen den Elektronen in den Cooper-Paaren, was bedeutet, dass es einen kinetischen Nettoimpuls gibt.
„Dieser Zustand ist sehr schwer zu fassen und es gibt nur eine Handvoll Artikel, die seine Existenz in normalen Supraleitern behaupten“, sagt Ye. „Allerdings ist keines davon schlüssig.“
Dieses Phasendiagramm zeigt das Vorhandensein eines sechsfach anisotropen orbitalen FFLO-Zustands, der einen wesentlichen Teil des Phasendiagramms einnimmt. In der oberen rechten Ecke zeigen schematische Abbildungen die räumliche Modulation des supraleitenden Ordnungsparameters. Bildnachweis: P. Wan / Universität Groningen
Um den FFLO-Zustand in einem herkömmlichen Supraleiter zu erzeugen, ist ein starkes Magnetfeld erforderlich. Aber die Rolle, die das Magnetfeld spielt, muss sorgfältig optimiert werden. Einfach ausgedrückt: Damit das Magnetfeld zwei Rollen spielt, müssen wir den Zeeman-Effekt nutzen. Dadurch werden Elektronen in Cooper-Paaren anhand der Richtung ihrer Spins (einem magnetischen Moment) getrennt, nicht jedoch aufgrund des Orbitaleffekts – der anderen Rolle, die normalerweise die Supraleitung zerstört.
„Es ist eine heikle Auseinandersetzung zwischen Supraleitung und dem externen Magnetfeld“, erklärt Ye.
Fingerabdruck
Erstautor Puhua Wan stellte Proben her, die alle Anforderungen erfüllten, um zu zeigen, dass es tatsächlich einen endlichen Impuls in den Cooper-Paaren gibt. Bildnachweis: P. Wan / Universität Groningen
Ising-Supraleitung, die Ye und seine Mitarbeiter vorstellten und in der Zeitschrift veröffentlichten Wissenschaft im Jahr 2015 unterdrückt den Zeeman-Effekt. „Indem wir den Schlüsselbestandteil herausgefiltert haben, der herkömmliches FFLO ermöglicht, haben wir ausreichend Platz geschaffen, damit das Magnetfeld seine andere Rolle spielen kann, nämlich den Orbitaleffekt“, sagt Ye.
„Was wir in unserer Arbeit gezeigt haben, ist ein klarer Fingerabdruck des durch den Orbitaleffekt gesteuerten FFLO-Zustands in unserem Ising-Supraleiter“, erklärt Ye. „Dies ist ein unkonventioneller FFLO-Zustand, der erstmals 2017 theoretisch beschrieben wurde.“ Der FFLO-Zustand in herkömmlichen Supraleitern erfordert extrem niedrige Temperaturen und ein sehr starkes Magnetfeld, was seine Erzeugung erschwert. Im Ye-Ising-Supraleiter wird dieser Zustand jedoch bei einem schwächeren Magnetfeld und bei höheren Temperaturen erreicht.
Transistoren
Tatsächlich beobachtete Ye 2019 erstmals Anzeichen eines FFLO-Zustands in seinem supraleitenden Molybdändisulfid-Gerät. „Damals konnten wir dies nicht nachweisen, weil die Proben nicht gut genug waren“, sagt Ye. Sein Ph.D. Dem Studenten Puhua Wan ist es seitdem gelungen, Proben des Materials herzustellen, die alle Anforderungen erfüllten, um zu zeigen, dass es in den Cooper-Paaren tatsächlich einen endlichen Impuls gibt. „Die eigentlichen Experimente dauerten ein halbes Jahr, aber die Analyse der Ergebnisse fügte ein weiteres Jahr hinzu“, sagt Ye. Wan ist der erste Autor des Natur Papier.
Dieser neue supraleitende Zustand bedarf weiterer Untersuchungen. Ye: „Es gibt viel darüber zu lernen. Wie beeinflusst beispielsweise der Bewegungsimpuls die physikalischen Parameter? Die Untersuchung dieses Zustands wird neue Einblicke in die Supraleitung liefern. Und dies könnte es uns ermöglichen, diesen Zustand in Geräten wie Transistoren zu steuern. Das ist unsere nächste Herausforderung.“
Referenz: „Orbitaler Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov-Zustand in einem Ising-Supraleiter“ von Puhua Wan, Oleksandr Zheliuk, Noah FQ Yuan, Xiaoli Peng, Le Zhang, Minpeng Liang, Uli Zeitler, Steffen Wiedmann, Nigel E. Hussey, Thomas TM Palstra und Jianting Ye, 24. Mai 2023, Natur.
DOI: 10.1038/s41586-023-05967-z