Een internationaal team van natuurkundigen onder leiding van de Universiteit van Minnesota heeft ontdekt dat een uniek supergeleidend metaal veerkrachtiger is als het als een zeer dunne laag wordt gebruikt. Het onderzoek is de eerste stap naar een groter doel om onconventionele supergeleidende toestanden in materialen te begrijpen, die in de toekomst mogelijk in quantum computing kunnen worden gebruikt.

De samenwerking omvat vier faculteitsleden van de School of Physics and Astronomy van de University of Minnesota - universitair hoofddocent Vlad Pribiag, Professor Rafael Fernandes, en assistent-professoren Fiona Burnell en Ke Wang, samen met natuurkundigen aan de Cornell University en verschillende andere instellingen. De studie is gepubliceerd in Natuurfysica .

Niobiumdiselenide (NbSe ₂ ) is een supergeleidend metaal, wat betekent dat het elektriciteit kan geleiden, of elektronen van het ene atoom naar het andere transporteren, zonder weerstand. Het is niet ongebruikelijk dat materialen zich anders gedragen wanneer ze een zeer klein formaat hebben, maar NbSe ₂ heeft potentieel gunstige eigenschappen. De onderzoekers ontdekten dat het materiaal in 2D-vorm (een zeer dun substraat van slechts enkele atoomlagen dik) een meer veerkrachtige supergeleider is omdat het een tweevoudige symmetrie heeft, wat heel anders is dan dikkere monsters van hetzelfde materiaal.

Gemotiveerd door Fernandes en Burnell's theoretische voorspelling van exotische supergeleiding in dit 2D-materiaal, Pribiag en Wang begonnen atomair dunne 2D supergeleidende apparaten te onderzoeken.

"We hadden verwacht dat het een zesvoudig rotatiepatroon zou hebben, als een sneeuwvlok." zei Wang. "Ondanks de zesvoudige structuur, het vertoonde slechts tweevoudig gedrag in het experiment."

"Dit was een van de eerste keren dat [dit fenomeen] werd gezien in een echt materiaal, ' zei Pribia.

De onderzoekers schreven de nieuw ontdekte tweevoudige rotatiesymmetrie van de supergeleidende toestand in NbSe toe ₂ tot de vermenging tussen twee nauw concurrerende soorten supergeleiding, namelijk het conventionele s-golftype - typisch voor bulk NbSe ₂ -en een onconventioneel d- of p-type mechanisme dat naar voren komt in NbSe . met weinig lagen ₂ . De twee soorten supergeleiding hebben zeer vergelijkbare energieën in dit systeem. Daarom, ze interageren en concurreren met elkaar.

Pribiag en Wang zeiden dat ze er later achter kwamen dat natuurkundigen van de Cornell University dezelfde natuurkunde aan het beoordelen waren met een andere experimentele techniek. namelijk quantum tunneling metingen. Ze besloten hun resultaten te combineren met het Cornell-onderzoek en een uitgebreide studie te publiceren.

Burnell, Pribia, en Wang zijn van plan voort te bouwen op deze eerste resultaten om de eigenschappen van atomair dunne NbSe . verder te onderzoeken ₂ in combinatie met andere exotische 2D-materialen, wat uiteindelijk zou kunnen leiden tot het gebruik van onconventionele supergeleidende toestanden, zoals topologische supergeleiding, kwantumcomputers bouwen.

"Wat we willen is een volledig vlakke interface op atomaire schaal, "Zei Pribiag. "We geloven dat dit systeem ons een beter platform zal bieden om materialen te bestuderen om ze te gebruiken voor kwantumcomputertoepassingen."

Naast Pribiag, Fernandes, Burnell, Wang, de samenwerking omvatte natuurkundestudenten van de Universiteit van Minnesota, Alex Hamill, Brett Heischmidt, Daniël Shaffer, Kan Ting Tsai, en Xi Zhang; Cornell University-faculteitsleden Jie Shan en Kin Fai Mak en afgestudeerde student Egon Sohn; Helmuth Berger en László Forró, onderzoekers aan de Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne in Zwitserland; Alexey Suslov, een onderzoeker bij het National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee, Fla.; en Xiaoxiang Xi, een professor aan de Nanjing University in China.