In sterk gecorreleerde materialen zoals cuprate-supergeleiders op hoge temperatuur, supergeleiding kan worden gecontroleerd door het aantal elektronen te veranderen of door de kinetische energie te veranderen, of energie overdragen, van elektronen in het systeem. Hoewel een groot aantal sterk gecorreleerde materialen is onderzocht met verschillende parameters om het mechanisme van supergeleiding te begrijpen, het bereik van de parameterbesturing is altijd beperkt. Een veelzijdige experimentele methode om gelijktijdige controle van het aantal en de overdrachtsenergie van de elektronen te bereiken is al lang gewenst.

Een flexibele elektrische dubbellaagse transistor (EDLT), of "gecorreleerde" transistor, samengesteld uit een organisch sterk gecorreleerd materiaal werd geconstrueerd (Fig. 1) door onderzoekers van RIKEN, Instituut voor Moleculaire Wetenschappen (IMS), Nagoya University en Toho University. Het aantal elektronen kan worden geregeld door poortspanningen van de EDLT, en de overdrachtsenergie van elektronen kan worden geregeld door het EDLT-substraat te buigen. Ze ontdekten dat het systeem veranderde van een isolator in een supergeleider in beide gevallen van toenemende en afnemende elektronenaantallen. Voorwaarden voor deze supergeleidende toestanden in de bovenstaande twee gevallen, echter, bleken fundamenteel anders te zijn. In aanvulling, een andere supergeleidende toestand ontstond toen het substraat werd gebogen. Het huidige resultaat is online gepubliceerd op: wetenschappelijke vooruitgang op 10 mei, 2019.

Onderzoekers fabriceerden de EDLT met behulp van een kristal van het sterk gecorreleerde organische materiaal gemaakt van BEDT-TTF (bis(ethyleendithio)tetrathiafulvaleen) moleculen (Fig. 1). Door de poortspanning op het oppervlak van het kristal aan te brengen, het aantal elektronen kan worden verhoogd (elektronendoping) en verlaagd (gatdoping). Dit EDLT-apparaat is flexibel, en de overdrachtsenergie kan worden gecontroleerd door mechanische kracht (rek) uit te oefenen vanaf de achterkant van de EDLT. De onderzoekers hebben met succes supergeleiding gecontroleerd in een identiek monster, door zowel de poortspanning als de spanning nauwkeurig te veranderen.

Figuur 2 toont de gebieden van supergeleidende toestanden. De abscis toont de poortspanning, wat overeenkomt met het aantal gedoteerde elektronen. De ordinaat geeft de spanning weer die door buigen op het apparaat wordt uitgeoefend. Met naar beneden gaan langs de ordinaat, de elektronen bewegen gemakkelijker omdat de kinetische energie van elektronen toeneemt. Het gebied van de isolerende toestand (rood) wordt omringd door de gebieden van supergeleidende toestanden (blauw). Twee supergeleidende gebieden aan de linker- en rechterkant van het isolerende gebied zijn significant verschillend van vorm op Fig. 2. Vooral de supergeleidende toestand verscheen met een toenemend aantal elektronen (de rechterkant op Fig. 2) vertoont opmerkelijk gedrag dat de toestand verscheen plotseling met een paar procent toename van het aantal elektronen en verdween met een toevoeging van overtollige elektronen. De supergeleidende toestanden kunnen worden verkregen door zowel het aantal elektronen te verhogen als te verlagen. Echter, de kenmerken van de twee staten blijken fundamenteel verschillend te zijn.

Het tweedimensionale fasediagram (Fig. 2) werd dus verkregen met behulp van het enkele monster. Het diagram toont de aard van de supergeleidende faseovergang, die is geanticipeerd op basis van gegevens die zijn verzameld uit veel verschillende monsters voordat dit apparaat verschijnt. Daarom versnelt deze nieuw ontwikkelde experimentele methode om de fasediagrammen te verkrijgen. Meer fundamenteel, door het volledige fasediagram uit hetzelfde monster te trekken, kunnen we betrouwbaardere resultaten verkrijgen, ongeacht de effecten van onzuiverheid en verschillen in kristalstructuren.

Deze experimentele methode kan van toepassing zijn op verschillende organische sterk gecorreleerde materialen. Een interessant voorbeeld is de kwantumspinvloeistof waarin de richtingen van elektronenspins willekeurig bewegen, zelfs bij 0 Kelvin. Experimenten met de kwantumspinvloeistof zullen de relatie tussen supergeleiding en magnetisme (rangschikking van elektronenspins) onthullen. Het is ook opmerkelijk dat het fasediagram van sterk gecorreleerde elektronensystemen een belangrijk doelwit is van kwantumsimulatoren. Het huidige resultaat biedt een mogelijke standaardoplossing voor die nieuw ontwikkelde rekenmethoden.