De materiaalwetenschap heeft sinds de komst van de ijzer- en bronstijd een diepgaande historische invloed op de mensheid gehad. momenteel, materiaalwetenschappers zijn geïntrigeerd door een klasse van materialen die bekend staat als kwantummaterialen, waarvan het elektronische of magnetische gedrag niet kan worden verklaard door de klassieke natuurkunde. Ontdekkingen op het gebied van kwantummaterialen worden gevolgd door een golf van onderzoek om nieuwe fysica of kwantuminformatie in de wetenschap te ontdekken. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op Wetenschap , A. Devarakonda en een team van natuurkundigen aan het Massachusetts Institute of Technology, Harvard University en het Riken Center for Emergent Matter Science in de VS en Japan rapporteerden de synthese van een zeer interessant nieuw kwantummateriaal.

Het construct kan natuurkundigen in staat stellen om obscure kwantumeffecten te bestuderen die tot nu toe onbekend waren. In dit onderzoek, het team ontwikkelde een bulk superrooster met de overgangsmetaal dichalcogenide (TMD) supergeleider 2H-niobium disulfide (2H-NbS _2, 2H-fase) om verbeterde tweedimensionale (2-D), hoge elektronische kwaliteit en clean-limit anorganische supergeleiding.

Supergeleiding

Supergeleiding kan hypothetisch hogesnelheidstoepassingen mogelijk maken zonder vermogensverlies en bijdragen aan de ontwikkeling van concepten zoals zwevende sneltreinen. Onderzoekers kunnen dergelijke toepassingen momenteel gedeeltelijk realiseren met materialen die supergeleidend zijn bij voldoende hoge temperaturen en 2D-materialen gebruiken om problemen te vereenvoudigen, terwijl de fysica achter supergeleiding wordt benadrukt. Vroege experimentele werken met korrelig aluminium (Al) en amorfe bismut (Bi) films vertoonden 2-D supergeleiding door de supergeleidende laagdikte nauwkeurig te regelen, die later werden gebruikt in baanbrekende studies. Deze omvatten de Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) overgang; een vroeg voorbeeld dat de topologische overgang beschrijft, waarvoor de natuurkundige in 2016 de Nobelprijs voor de natuurkunde ontving.

parallel, wetenschappers hebben ook anisotrope bulk supergeleiding bestudeerd om de supergeleidende toestand te begrijpen in de context van 2-D supergeleiding, waaronder overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD's), d.w.z. atomair dunne halfgeleiders van het type MX ₂ waarbij M een overgangsmetaal is en X een chalcogeenatoom is (groep 16 elementen in het periodiek systeem). Recente ontwikkelingen in materiaalkunde hebben ook de mogelijkheid aangetoond om van der Waals (vdW) gelaagde materialen te exfoliëren, zodat atomair dunne 2D-supergeleiders gemakkelijk toegankelijk zijn. Echter, dergelijke schilfers van afschilfering kunnen verslechteren, het verminderen van de monsterkwaliteit. Devarakonda et al. daarom hoge kwaliteit 2H-NbS . gebruikt ₂ (2H-niobiumdisulfide) monolagen in dit werk met een clean-limit 2-D supergeleider die een BKT (Berezinskii-Kosterlitz-Thouless) overgang vertoont. Vervolgens synthetiseerden ze verder een enkelkristalmateriaal; Ba ₆ Nb ₁₁ S ₂₈ met behulp van hoogwaardige H-NbS ₂ monolagen en Ba ₃ NbS ₅ blok lagen, waarbinnen de TMD-lagen sterk ontkoppeld waren.

Het ontwikkelen en karakteriseren van de laagcake

Devarakonda et al. maakte daarom het resulterende materiaal (Ba ₆ Nb ₁₁ S ₂₈ ) zo zuiver mogelijk om de zuivere fysica van 2-D supergeleiding te bestuderen. De ontdekking van schone 2D-supergeleiding in Ba ₆ Nb ₁₁ S ₂₈ zal de deur openen naar een beter begrip van 2-D supergeleiding geassocieerd met kwantumverschijnselen. Het materiaal bevat afwisselende lagen van de 2-D supergeleider NbS ₂ en een elektronisch oninteressante afstandslaag Ba ₃ NbS ₅ – net als een laag cake met een dunne laag chocolade (bijv. NbS ₂ ) tussen dikkere lagen cake (d.w.z. de afstandslaag). De gelaagdheid beschermde de NbS ₂ laag tegen barsten of blootstelling aan lucht/vocht om een ​​veel schonere 2D-supergeleiding mogelijk te maken. Het team gebruikte ringvormige donkerveld scanning transmissie-elektronenmicroscopie (HAADF-STEM) om de resulterende structuur te onderzoeken. Het materiaal vertoonde een 2D-supergeleider met een schone limiet met een BKT-overgang bij T _BKT =0,82 K en prominente 2-D Shubnikov-de Haas (SdH) kwantumoscillaties; een macroscopische manifestatie van de inherente kwantumaard van materie.

Met behulp van magnetotransportmetingen, Devarakonda et al. toonde de reinheid van het materiaal en verder bewijs voor de 2D elektronische architectuur. De resultaten waren kwalitatief verschillend van het uitgangsmateriaal 2H-NbS ₂ , die kromgetrokken en elliptische Fermi-oppervlakken in zijn elektronische structuur handhaafde. Hoewel kwantumoscillaties nog niet waren gerapporteerd in 2H-NbS ₂ , het team merkte het begin op van Shubnikov-de Haas (SdH) kwantumoscillaties in Ba ₆ Nb ₁₁ S ₂₈ binnen magnetische velden tussen 2 en 3 Tesla om kwantummobiliteiten aan te geven. De wetenschappers analyseerden de kwantumoscillaties en de laagveldmagnetoweerstand van Ba ₆ Nb ₁₁ S ₂₈ , die de materialen in de schone limiet van supergeleiding plaatste.

Ze registreerden ook de stroom / spanningskarakteristieken van het materiaal over de supergeleidende overgang. Naast de waargenomen BKT-transitie, het werk vertoonde het uiterlijk van een schone, 2-D supergeleidende staat met verbeterde stabiliteit, die Devarakonda et al. toegeschreven aan de hoge zuiverheid van de NbS ₂ lagen in Ba ₆ Nb ₁₁ S ₂₈ . Aangezien de bulk Ba ₆ Nb ₁₁ S ₂₈ materiaal toonde al 2D-fysica, het onderzoeksteam stelde oorspronkelijk het nu bekende proces voor van het inbrengen van de afstandslagen in plaats van het fabriceren van geëxfolieerde nanodevices die in eerder werk zijn beschreven. Het team merkte ook de reikwijdte op om de afstandslaag te functionaliseren door magnetische bestanddelen te introduceren. Op deze manier, de grote elektronische gemiddelde vrije weg (gemiddelde afstand afgelegd door een bewegend deeltje) van Ba ₆ Nb ₁₁ S ₂₈ maakte supergeleiding met een schone limiet mogelijk om mogelijk onconventionele fasen te realiseren zoals voorspeld in monolaagse supergeleiders.

Impact van het nieuwe kwantummateriaal

De inherente schoonheid van het materiaal blijft in de natuurlijke groei van de heterostructuur, die veel lijkt op een laagcake die op natuurlijke wijze wordt gescheiden tijdens het syntheseproces. Hierdoor was het synthetische proces veel minder arbeidsintensief in vergelijking met het handmatig toevoegen van elke laag. Door het gemak van synthese kunnen verschillende soorten gelaagde materialen worden ontwikkeld waarbij de 2D-lagen op natuurlijke wijze worden beschermd door hun omgeving. De techniek kan naast supergeleiders verschillende soorten kwantummaterialen opleveren, inclusief topologische isolatoren die geschikt zijn voor kwantumcomputers. De nieuwe ontdekking maakt een eenvoudiger, alternatieve benadering van het bestaande proces van de fabricage van geëxfolieerde nanodevices. A. Devarakonda en collega's zijn van plan deze strategie uit te breiden naar andere materialen buiten de Ba ₆ Nb ₁₁ S ₂₈ hier gedetailleerd.

© 2020 Wetenschap X Netwerk