Het is bekend dat supergeleiding gemakkelijk wordt vernietigd door sterke magnetische velden. NIMS, Osaka University en Hokkaido University hebben gezamenlijk ontdekt dat een supergeleider met een dikte op atomaire schaal zijn supergeleiding kan behouden, zelfs wanneer er een sterk magnetisch veld op wordt toegepast. Het team heeft ook een nieuw mechanisme achter dit fenomeen ontdekt. Deze resultaten kunnen de ontwikkeling vergemakkelijken van supergeleidende materialen die bestand zijn tegen magnetische velden en topologische supergeleiders die zijn samengesteld uit supergeleidende en magnetische materialen.

Supergeleiding is gebruikt in verschillende technologieën, zoals magnetische resonantie beeldvorming (MRI) en zeer gevoelige magnetische sensoren. Topologische supergeleiders, een speciaal type supergeleider, staan ​​de laatste jaren volop in de belangstelling. Ze kunnen kwantuminformatie lang vasthouden en kunnen in combinatie met magnetische materialen worden gebruikt om qubits te vormen waarmee kwantumcomputers zeer complexe berekeningen kunnen uitvoeren. Echter, supergeleiding wordt gemakkelijk vernietigd door sterke magnetische velden of magnetische materialen in de buurt. Het is daarom wenselijk een topologisch supergeleidend materiaal te ontwikkelen dat bestand is tegen magnetische velden.

Het onderzoeksteam maakte onlangs kristallijne films van indium, een gemeenschappelijk supergeleidend materiaal, met dikte op atomaire schaal. Het team ontdekte toen een nieuw mechanisme dat voorkomt dat de supergeleiding van deze films wordt vernietigd door een sterk magnetisch veld. Wanneer een magnetisch veld wordt aangelegd op een supergeleidend materiaal, het magnetische veld interageert met elektronenspins. Het zorgt ervoor dat de elektronische energie van het materiaal verandert en vernietigt zijn supergeleiding. Echter, wanneer een supergeleidend materiaal wordt verdund tot een tweedimensionale atomaire laag, de spin en het momentum van de elektronen in de laag zijn gekoppeld, waardoor de elektronspins vaak roteren. Dit compenseert het effect van de veranderingen in elektronische energie veroorzaakt door het magnetische veld en behoudt zo de supergeleiding. Dit mechanisme kan het kritische magnetische veld - de maximale magnetische veldsterkte waarboven supergeleiding verdwijnt - tot 16-20 Tesla verhogen, wat ongeveer het drievoudige is van de algemeen aanvaarde theoretische waarde. Er wordt verwacht dat het een breed scala aan toepassingen zal hebben, aangezien het werd waargenomen voor een gewoon supergeleidend materiaal en het vereist geen speciale kristallijne structuren of sterke elektronische correlaties.

Op basis van deze resultaten, we zijn van plan supergeleidende dunne films te ontwikkelen die nog sterkere magnetische velden kunnen weerstaan. We zijn ook van plan een hybride apparaat te maken dat is samengesteld uit supergeleidende en magnetische materialen en dat nodig is voor de ontwikkeling van topologische supergeleiders:een essentieel onderdeel van de volgende generatie kwantumcomputers.