Trong một thử nghiệm đột phá, các nhà nghiên cứu từ Đại học Groningen đã hợp tác với các đồng nghiệp từ Đại học Nijmegen và Twente ở Hà Lan và Viện Công nghệ Cáp Nhĩ Tân ở Trung Quốc. Họ cùng nhau xác nhận sự tồn tại của trạng thái siêu dẫn được dự đoán lần đầu tiên vào năm 2017.

Những phát hiện của họ, thiết lập bằng chứng cho một dạng duy nhất của trạng thái FFLO siêu dẫn, gần đây đã được công bố trên tạp chí thiên nhiên. Bước đột phá này có tiềm năng gây ảnh hưởng, đặc biệt là trong lĩnh vực điện tử siêu dẫn.

Đây là Giáo sư Tiến sĩ Justin Yee, Chủ tịch Nhóm Vật lý Thiết bị cho Vật liệu Phức hợp tại Đại học Groningen ở Hà Lan, đồng thời là tác giả chính của bài báo Tự nhiên về trạng thái siêu dẫn của FFLO. Ảnh: Sylvia Germes

Tác giả chính của bài báo là Giáo sư Justin Yee, người đứng đầu nhóm Vật lý Thiết bị cho Vật liệu Phức hợp tại Đại học Groningen. Ye và nhóm của anh ấy đang nghiên cứu trường hợp siêu dẫn Ising. Đây là một trường hợp đặc biệt có thể chống lại từ trường phá hủy tính siêu dẫn nói chung, và đó là nó Nhóm đã mô tả nó vào năm 2015.

Năm 2019, họ đã tạo ra Thiết bị bao gồm một lớp molybdenum disulfide képe có thể được liên kết với các trạng thái siêu dẫn Ising có trong hai lớp. Thật thú vị, thiết bị mà Ye và nhóm của ông tạo ra có thể bật hoặc tắt lớp bảo vệ này bằng cách sử dụng điện trường, tạo ra một bóng bán dẫn siêu dẫn.

khó nắm bắt

Thiết bị siêu dẫn kép của Ising làm sáng tỏ một thách thức lâu dài trong lĩnh vực siêu dẫn. Năm 1964, bốn nhà khoa học (Fulde, Ferrell, Larkin và Ovchinnikov) đã dự đoán một trạng thái siêu dẫn đặc biệt có thể tồn tại trong điều kiện nhiệt độ thấp và từ trường mạnh, được gọi là trạng thái FFLO.

Trong hiện tượng siêu dẫn tiêu chuẩn, các electron di chuyển ngược chiều nhau thành các cặp Cooper. Vì chúng chuyển động với cùng tốc độ nên tổng động lượng của các electron này bằng không. Tuy nhiên, trong trường hợp của FFLO, có rất ít sự khác biệt về vận tốc giữa các electron trong các cặp Cooper, điều này hàm ý một động lượng tổng cộng.

Ye nói: “Trường hợp này rất khó nắm bắt và chỉ có một số vật liệu được cho là chất siêu dẫn thông thường. Tuy nhiên, không ai trong số này là kết luận.

Biểu đồ pha này cho thấy sự tồn tại của trạng thái quỹ đạo sáu lần dị hướng, chiếm một phần lớn trong biểu đồ pha. Ở góc trên bên phải, các sơ đồ minh họa cho thấy điều chế không gian của tham số thứ tự siêu dẫn. Tín dụng: P. Wan/Đại học Groningen

Để tạo ra trạng thái FFLO trong một chất siêu dẫn thông thường, cần có một từ trường mạnh. Nhưng vai trò của từ trường cần được tinh chỉnh. Nói một cách đơn giản, để từ trường đóng hai vai trò, chúng ta cần sử dụng hiệu ứng Zeeman. Điều này phân tách các electron thành các cặp Cooper dựa trên hướng spin (mômen từ) của chúng, nhưng không dựa trên hiệu ứng quỹ đạo—vai trò khác thường phá hủy tính siêu dẫn.

Yi giải thích: “Đó là một cuộc đàm phán tế nhị giữa tính siêu dẫn và từ trường bên ngoài.

vân tay

Tác giả đầu tiên Buhua Wan đã tạo ra các mẫu đáp ứng tất cả các yêu cầu để chứng minh rằng thực sự có động lượng hữu hạn trong các cặp Cooper. Tín dụng: P. Wan/Đại học Groningen

là hiện tượng siêu dẫn, được trình bày bởi Ye và các cộng sự của ông và đăng trên tạp chí khoa học Vào năm 2015, anh ấy đã triệt tiêu hiệu ứng Zeeman. Ye nói: “Bằng cách lọc ra thành phần quan trọng giúp FFLO thông thường khả thi, chúng tôi đã giải phóng không gian rộng rãi cho từ trường thực hiện vai trò khác của nó, đó là hiệu ứng quỹ đạo.

Yi giải thích: “Những gì chúng tôi đã trình bày trong bài báo của mình là dấu ấn rõ ràng của trạng thái FFLO do hiệu ứng quỹ đạo điều khiển trong chất siêu dẫn Ising. “Đây là một trường hợp FFLO không điển hình, lần đầu tiên được mô tả về mặt lý thuyết vào năm 2017.” Trạng thái FFLO trong các chất siêu dẫn thông thường đòi hỏi nhiệt độ rất thấp và từ trường rất mạnh nên khó hình thành. Tuy nhiên, trong chất siêu dẫn Ising của Ye, trạng thái đạt được với từ trường yếu hơn và ở nhiệt độ cao hơn.

Linh kiện bán dẫn

Trên thực tế, Yi lần đầu tiên nhận thấy các dấu hiệu của trạng thái FFLO trong thiết bị siêu dẫn molybdenum disulfide của mình vào năm 2019. “Vào thời điểm đó, chúng tôi không thể chứng minh điều đó vì các mẫu không đủ tốt,” Yi nói. Tuy nhiên, anh ấy đã lấy được bằng Tiến sĩ. Sinh viên Puhua Wan kể từ đó đã thành công trong việc tạo ra các mẫu vật liệu đáp ứng tất cả các yêu cầu để chứng tỏ rằng thực sự có động lượng hữu hạn trong các cặp Cooper. “Các thử nghiệm thực tế mất nửa năm, nhưng việc phân tích kết quả kéo dài thêm một năm nữa,” Ye nói. Vạn là tác giả đầu tiên của thiên nhiên giấy.

Trạng thái siêu dẫn mới này cần được nghiên cứu thêm. Bạn: “Có rất nhiều điều cần tìm hiểu về nó. Ví dụ, động lượng ảnh hưởng như thế nào đến các thông số vật lý? Nghiên cứu trạng thái này sẽ cung cấp những hiểu biết mới về tính siêu dẫn. Điều này có thể cho phép chúng tôi kiểm soát trạng thái này trong các thiết bị như bóng bán dẫn. Đây là thách thức tiếp theo của chúng ta.”

Tham khảo: “Trạng thái quỹ đạo Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov trong chất siêu dẫn Ising” của Puhua Wan, Oleksandr Zheliuk, Noah FQ Yuan, Xiaoli Peng, Le Zhang, Minpeng Liang, Uli Zeitler, Steffen Wiedmann, Nigel E. thiên nhiên.
DOI: 10.1038/s41586-023-05967-z