Phase diagram of the orbital FFLO state under parallel magnetic fields
Phase diagram of the orbital FFLO state under parallel magnetic fields

Wetenschappers vinden eerste bewijs voor nieuwe supergeleidende toestand in Ising-supergeleider

In een baanbrekend experiment hebben wetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen samen met collega's van HFML-FELIX, Universiteit Twente en het Harbin Institute of Technology (China) het bestaan ontdekt van een supergeleidende toestand die voor het eerst werd voorspeld in 2017. In de Nature-editie van deze week presenteren ze bewijs voor een speciale variant van de zogenaamde FFLO-supergeleidende toestand, een ontdekking die belangrijke toepassingen zou kunnen hebben, met name op het gebied van supergeleidende elektronica.

Aanvoerder van de samenwerking is professor Justin Ye uit Groningen. Ye en zijn team hebben gewerkt aan de supergeleidende toestand van Ising, een toestand die in 2015 werd ontdekt bij HFML-FELIX. Dit is een speciale toestand die magnetische velden kan weerstaan die doorgaans supergeleiding vernietigen. In 2019 creëerden ze een apparaat met een dubbele laag molybdeendisulfide dat de Ising-supergeleidingstoestanden in de twee lagen zou kunnen koppelen. Interessant is dat het apparaat het mogelijk maakt om deze bescherming met behulp van een elektrisch veld aan of uit te zetten, wat resulteert in een supergeleidende transistor.

Tweaken

Het gekoppelde Ising-supergeleiderapparaat werpt licht op een langdurige uitdaging op het gebied van supergeleiding. In 1964 voorspelden vier wetenschappers (Fulde, Ferrell, Larkin en Ovchinnikov) een speciale supergeleidende toestand die zou kunnen bestaan onder omstandigheden van lage temperatuur en een sterk magnetisch veld, de FFLO-toestand genoemd. In standaard supergeleiding bewegen elektronen in tegengestelde richtingen als Cooper-paren. Omdat ze met dezelfde snelheid bewegen, hebben deze elektronen een totaal kinetisch momentum van nul. In de FFLO-toestand is er echter een klein snelheidsverschil tussen de elektronen in de Cooper-paren, wat betekent dat er een netto kinetisch momentum is.

Phase diagram of the orbital FFLO state under parallel magnetic fields
Phase diagram of the orbital FFLO state under parallel magnetic fields

Om de FFLO-toestand in een conventionele supergeleider te creëren, is een sterk magnetisch veld nodig. Maar de rol van het magnetische veld vereist een nauwkeurige afstelling. Simpel gezegd, om twee rollen te laten spelen door het magnetische veld, moet gebruik gemaakt worden van het Zeeman-effect. Dit scheidt elektronen in Cooper-paren op basis van de richting van hun spins (een magnetisch moment), maar niet op het orbitale effect - de andere rol die normaal gesproken supergeleiding vernietigt. Ising supergeleiding onderdrukt het Zeeman-effect. “Door het belangrijkste ingrediënt dat conventionele FFLO mogelijk maakt eruit te filteren'”, zegt Ye, “hebben we het magnetische veld voldoende ruimte gegeven om zijn andere rol te spelen, namelijk het orbitale effect.”

Apparaten

Dit artikel biedt het eerste duidelijke bewijs van de door een orbitaal effect aangedreven FFLO-toestand in een Ising-supergeleider. De FFLO-toestand in conventionele supergeleiders vereist extreem lage temperaturen en een zeer sterk magnetisch veld, waardoor het moeilijk te creëren is. In de Ising-supergeleider van Ye wordt de toestand echter bereikt met een zwakker magnetisch veld en bij hogere temperaturen. De hoge magnetische velden bij HFML-FELIX waren desalniettemin belangrijk om de onderzoekers in staat te stellen het volledige fasediagram van dit nieuwe fenomeen vast te stellen.

Deze nieuwe supergeleidende toestand moet echter nog verder worden onderzocht. Ye: “Er valt nog veel over te leren. Hoe beïnvloedt het kinetische momentum bijvoorbeeld de fysieke parameters? Het bestuderen van deze toestand zal nieuwe inzichten opleveren in supergeleiding. En dit kan ons in staat stellen om deze toestand te controleren in apparaten zoals transistors. Dat is onze volgende uitdaging.”

Oleksandr Zheliuk at work at HFML-FELIX

Nationale samenwerking

Oleksandr Zheliuk, postdoc van de Semiconductors & Nanostructures-groep bij HFML-FELIX en tweede auteur van het artikel, benadrukt het belang van de nationale samenwerking voor een dergelijk werk: “Ik vind dit werk een mooie samenwerking tussen de Device Physics-groep in Groningen en het team van HFML-FELIX – Uli Zeitler, Steffen Wiedmann en Nigel Hussey – die werken aan verschillende aspecten van supergeleiding. Toegang tot de high-field-faciliteit bij HFML-FELIX stelde ons in staat om het eigenaardige fasediagram van deze supergeleider in meer detail te onderzoeken bij magnetische velden boven 20 Tesla, waar de supergeleiding wordt vernietigd.

De bij de samenwerking betrokken theoretici hielpen ons nieuwe inzichten en begrip te verwerven over deze voorheen ontoegankelijke supergeleidende toestand in dunne NbSe2-films. Het blijkt dat de aanwezigheid van Ising spin-orbit-koppeling in combinatie met een magnetisch veld in het vlak, de overgang naar de FFLO-toestand dichter bij de kritische temperatuur en lagere velden verschuift, waardoor het toegankelijker wordt voorandere experimentele groepen.”

Publicatie

Wie meer wil weten, kan het volledige artikel lezen op de website van Nature.