Een ontdekking die natuurkundigen lang ontgaan zijn, is ontdekt in een laboratorium in Princeton. Een team van natuurkundigen ontdekte supergeleidende stromen - de stroom van elektronen zonder energie te verspillen - langs de buitenrand van een supergeleidend materiaal. De bevinding werd gepubliceerd in het nummer van 1 mei van het tijdschrift Wetenschap .

De supergeleider die de onderzoekers bestudeerden is ook een topologisch halfmetaal, een materiaal dat zijn eigen ongebruikelijke elektronische eigenschappen heeft. De bevinding suggereert manieren om een ​​nieuw tijdperk van "topologische supergeleiding" te ontsluiten dat waarde zou kunnen hebben voor kwantumcomputing.

"Voor zover we weten, dit is de eerste waarneming van een randsuperstroom in een supergeleider, " zei Nai Phuan Ong, Princeton's Eugene Higgins hoogleraar natuurkunde en de senior auteur van het onderzoek.

"Onze motiverende vraag was:Wat gebeurt er als het binnenste van het materiaal geen isolator maar een supergeleider is?", zei Ong. "Welke nieuwe kenmerken ontstaan ​​wanneer supergeleiding optreedt in een topologisch materiaal?"

Hoewel conventionele supergeleiders al wijdverbreid worden gebruikt in magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) en langeafstandstransmissielijnen, nieuwe soorten supergeleiding zouden het vermogen kunnen ontketenen om verder te gaan dan de beperkingen van onze vertrouwde technologieën.

Onderzoekers van Princeton en elders hebben de verbanden onderzocht tussen supergeleiding en topologische isolatoren - materialen waarvan het niet-conformistische elektronische gedrag het onderwerp was van de 2016 Nobelprijs voor de natuurkunde voor F. Duncan Haldane, Princeton's Sherman Fairchild University hoogleraar natuurkunde.

Topologische isolatoren zijn kristallen met een isolerende binnenkant en een geleidend oppervlak, als een brownie verpakt in aluminiumfolie. Bij het geleiden van materialen, elektronen kunnen van atoom naar atoom springen, elektrische stroom laten vloeien. Isolatoren zijn materialen waarin de elektronen vastzitten en niet kunnen bewegen. Toch nieuwsgierig, topologische isolatoren laten de beweging van elektronen op hun oppervlak toe, maar niet in hun binnenste.

Om supergeleiding in topologische materialen te onderzoeken, de onderzoekers wendden zich tot een kristallijn materiaal genaamd molybdeen ditelluride, die topologische eigenschappen heeft en ook een supergeleider is zodra de temperatuur onder een ijskoude 100 milliKelvin zakt, dat is -459 graden Fahrenheit.

"De meeste experimenten die tot nu toe zijn gedaan, hebben betrekking op het 'injecteren' van supergeleiding in topologische materialen door het ene materiaal dicht bij het andere te plaatsen, " zei Stephan Kim, een afgestudeerde student elektrotechniek, die veel van de experimenten heeft uitgevoerd. "Wat anders is aan onze meting, is dat we geen supergeleiding hebben geïnjecteerd en toch de handtekeningen van randtoestanden konden laten zien."

Het team kweekte eerst kristallen in het laboratorium en koelde ze vervolgens af tot een temperatuur waarbij supergeleiding optreedt. Vervolgens pasten ze een zwak magnetisch veld toe terwijl ze de stroom door het kristal meten. Ze merkten op dat een hoeveelheid die de kritische stroom wordt genoemd, oscillaties vertoont, die verschijnen als een zaagtandpatroon, naarmate het magnetische veld groter wordt.

Zowel de hoogte van de oscillaties als de frequentie van de oscillaties passen bij voorspellingen over hoe deze fluctuaties ontstaan ​​door het kwantumgedrag van elektronen die zich beperken tot de randen van de materialen.

Onderzoekers weten al lang dat supergeleiding ontstaat wanneer elektronen, die normaal willekeurig rondlopen, bind in tweeën om Cooper-paren te vormen, die in zekere zin op dezelfde beat dansen. "Een ruwe analogie is dat een miljard koppels dezelfde strak gescripte danschoreografie uitvoeren, ' zei Ong.

Het script dat de elektronen volgen, wordt de golffunctie van de supergeleider genoemd. die ruwweg kan worden beschouwd als een lint gespannen langs de lengte van de supergeleidende draad, zei Ong. Een lichte draaiing van de golffunctie dwingt alle Cooper-paren in een lange draad om met dezelfde snelheid te bewegen als een "superfluïde" - met andere woorden als een enkele verzameling in plaats van als individuele deeltjes - die stroomt zonder verwarming te produceren.

Als er geen kronkels langs het lint zijn, Ong zei, alle Cooper-paren zijn stationair en er vloeit geen stroom. Als de onderzoekers de supergeleider blootstellen aan een zwak magnetisch veld, dit voegt een extra bijdrage toe aan de verdraaiing die de onderzoekers de magnetische flux noemen, die, voor zeer kleine deeltjes zoals elektronen, volgt de regels van de kwantummechanica.

De onderzoekers verwachtten dat deze twee bijdragen aan het aantal wendingen, de superfluïde snelheid en de magnetische flux, samenwerken om het aantal wendingen als een exact geheel getal te behouden, een geheel getal zoals 2, 3 of 4 in plaats van een 3.2 of een 3.7. Ze voorspelden dat als de magnetische flux geleidelijk toeneemt, de superfluïde snelheid zou toenemen in een zaagtandpatroon als de superfluïde snelheid zich aanpast om de extra .2 te annuleren of .3 toe te voegen om een ​​exact aantal wendingen te krijgen.

Het team mat de superfluïde stroom terwijl ze de magnetische flux varieerden en ontdekte dat inderdaad het zaagtandpatroon zichtbaar was.

In molybdeen ditelluride en andere zogenaamde Weyl-halfmetalen, deze Cooper-paring van elektronen in de bulk lijkt een vergelijkbare paring aan de randen te induceren.

De onderzoekers merkten op dat de reden waarom de randsuperstroom onafhankelijk blijft van de bulksuperstroom momenteel niet goed wordt begrepen. Ong vergeleek de elektronen die collectief bewegen, ook wel condensaten genoemd, tot plassen vloeistof.

"Van klassieke verwachtingen, men zou verwachten dat twee vloeistofplassen die in direct contact staan, samenvloeien tot één, "Zei Ong. "Toch toont het experiment aan dat de randcondensaten verschillend blijven van die in het grootste deel van het kristal."

Het onderzoeksteam speculeert dat het mechanisme dat ervoor zorgt dat de twee condensaten niet vermengen, de topologische bescherming is die is geërfd van de beschermde randtoestanden in molybdeenditelluride. De groep hoopt dezelfde experimentele techniek toe te passen om te zoeken naar randsuperstromen in andere onconventionele supergeleiders.

"Er zijn er waarschijnlijk tientallen, ' zei Ong.

De studie, "Bewijs voor een randsuperstroom in de Weyl-supergeleider MoTe2, " door Wudi Wang, Stefan Kim, Minhao Liu, F.A. Cevallos, Robert. J. Cava en Nai Phuan Ong, werd gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap op 1 mei 2020.