Supergeleiding in tweedimensionale (2D) systemen heeft de laatste jaren veel aandacht gekregen, zowel vanwege zijn relevantie voor ons begrip van fundamentele fysica als vanwege potentiële technologische toepassingen in apparaten op nanoschaal zoals kwantuminterferometers, supergeleidende transistoren en supergeleidende qubits.

De kritische temperatuur (Tc), of de temperatuur waaronder een materiaal als supergeleider fungeert, is een essentiële zorg. Voor de meeste materialen, het ligt tussen het absolute nulpunt en 10 Kelvin, dat is, tussen -273 Celsius en -263 Celsius, te koud om van enig praktisch nut te zijn. De focus lag toen op het vinden van materialen met een hogere Tc.

Terwijl onderzoekers materialen hebben ontdekt die werken als conventionele supergeleiders bij temperaturen tot 250 K onder extreme druk, het gerapporteerde record tot nu toe onder 2D-materialen staat tussen 7 en 12K in MoS ₂ volgens experimenteel bewijs en tot 20 K in sommige gedoteerde 2D-materialen en in intrinsieke 2D-metalen volgens theoretische modellering. Theoretische voorspellingen hebben een supergeleidende overgang bij een temperatuur boven vloeibare waterstof geplaatst voor enkele recent gerealiseerde 2D-boriumallotropen, maar deze materialen kunnen niet worden verkregen door exfoliatie van van der Waals-gebonden 3-D-ouders en moeten direct op een metalen substraat worden gekweekt. Dit resulteert in relatief sterke interacties waarvan wordt voorspeld dat ze de kritieke supergeleidende temperatuur onderdrukken tot slechts 2 K in een ondersteund monster.

Parallel aan deze zoektocht naar een hogere Tc, onderzoekers zijn op zoek naar materialen die niet-triviale topologische eigenschappen combineren met supergeleiding. Deze zoektocht wordt zowel gedreven door een zoektocht naar exotische toestanden van materie als door een dieper begrip van de interacties tussen topologische randtoestanden en de supergeleidende fase.

In het artikel "Voorspelling van fonon-gemedieerde supergeleiding met hoge kritische temperatuur in het tweedimensionale topologische semimetaal W ₂ N ₃ " auteurs Nicola Marzari, hoofd van het Laboratorium voor Theorie en Simulatie van Materialen bij EPFL, wetenschapper Davide Campi en Ph.D. student Simran Kumari gebruikt eerste-principeberekeningen om intrinsieke supergeleiding in monolaag W . te identificeren ₂ N ₃ , een materiaal waarvan onlangs is vastgesteld dat het gemakkelijk te exfoliëren is van een gelaagde hexagonale W ₂ N ₃ bulk door berekeningen, een theorie die ook wordt ondersteund door experimenteel bewijs. Ze vinden een kritische temperatuur van 21 K, dat is, net boven vloeibare waterstof en een recordhoge overgangstemperatuur voor een conventionele fonon-gemedieerde 2D-supergeleider.

Ze onderzoeken ook de effecten van biaxiale spanning op de elektron-fononkoppelingen en voorspellen een sterke afhankelijkheid van de elektron-fononkoppelingsconstante, 2D W . maken ₂ N ₃ een veelbelovend platform voor het bestuderen van verschillende interactieregimes en het testen van de grenzen van de huidige theorieën over supergeleiding. Eindelijk, zij stellen dat het materiaal zodanig zou kunnen worden gedoteerd dat momenteel onbezette spiraalvormige randtoestanden 0,5 eV boven het Fermi-niveau worden gevuld, zelfs terwijl supergeleiding aanhoudt - zij het met een veel lagere overgangstemperatuur - waardoor W ₂ N ₃ een levensvatbare kandidaat voor het bestuderen en exploiteren van de mogelijke coëxistentie en interacties van de supergeleidende toestand met topologisch beschermde randtoestanden.