Supergeleiders intrigeren natuurkundigen al tientallen jaren. Maar deze materialen, die de perfecte, verliesloze stroom van elektronen mogelijk maken, vertonen deze kwantummechanische bijzonderheid doorgaans alleen bij temperaturen die zo laag zijn (een paar graden boven het absolute nulpunt) dat ze onpraktisch zijn.

Een onderzoeksteam onder leiding van Philip Kim, hoogleraar natuurkunde en toegepaste natuurkunde aan de Harvard Universiteit, heeft een nieuwe strategie gedemonstreerd voor het maken en manipuleren van een veel bestudeerde klasse van supergeleiders met een hogere temperatuur, cuprates genaamd. Daarmee wordt de weg vrijgemaakt voor de ontwikkeling van nieuwe, ongebruikelijke vormen van supergeleiding in voorheen onbereikbare materialen. .

Met behulp van een unieke fabricagemethode voor apparaten bij lage temperaturen rapporteren Kim en zijn team in het tijdschrift Science een veelbelovende kandidaat voor 's werelds eerste supergeleidende diode op hoge temperatuur, in wezen een schakelaar die de stroom in één richting laat stromen, gemaakt van dunne cupraatkristallen.

Een dergelijk apparaat zou in theorie nieuwe industrieën zoals kwantumcomputing kunnen voeden, die afhankelijk zijn van vluchtige mechanische verschijnselen die moeilijk in stand te houden zijn.

"Supergeleidende diodes op hoge temperatuur zijn in feite mogelijk, zonder toepassing van magnetische velden, en openen nieuwe deuren voor onderzoek naar exotische materialen," zei Kim.

Cuprates zijn koperoxiden die decennia geleden de natuurkundewereld op zijn kop zetten door te laten zien dat ze bij veel hogere temperaturen supergeleidend worden dan theoretici voor mogelijk hadden gehouden, waarbij 'hoger' een relatieve term is (het huidige record voor een cuprate-supergeleider is -225 Fahrenheit). Het hanteren van deze materialen zonder hun supergeleidende fasen te vernietigen is echter zeer complex vanwege hun ingewikkelde elektronische en structurele kenmerken.

De experimenten van het team werden geleid door S. Y. Frank Zhao, een voormalig student aan de Griffin Graduate School of Arts and Sciences en nu een postdoctoraal onderzoeker aan het MIT. Met behulp van een luchtvrije, cryogene kristalmanipulatiemethode in ultrapuur argon creëerde Zhao een schoon grensvlak tussen twee extreem dunne lagen van het cuprate bismut strontium calciumkoperoxide, bijgenaamd BSCCO ("bisco").

BSCCO wordt beschouwd als een supergeleider op hoge temperatuur omdat het supergeleidend begint bij ongeveer -288 Fahrenheit (-177 C) - erg koud volgens praktische normen, maar verbazingwekkend hoog onder supergeleiders, die doorgaans moeten worden afgekoeld tot ongeveer -400 Fahrenheit (-240 C). ).

Zhao splitste de BSCCO eerst in twee lagen, elk een duizendste van de breedte van een mensenhaar. Vervolgens stapelde hij bij een temperatuur van -90 graden Celsius de twee lagen op elkaar met een draaiing van 45 graden, als een ijssandwich met scheve wafeltjes, waarbij de supergeleiding op het fragiele grensvlak behouden bleef.

Het team ontdekte dat de maximale superstroom die zonder weerstand door het grensvlak kan stromen, afhankelijk is van de richting van de stroom. Cruciaal is dat het team ook elektronische controle over de kwantumtoestand op het grensvlak demonstreerde door deze polariteit om te keren.

Dankzij deze controle konden ze effectief een schakelbare, hoge-temperatuur-supergeleidende diode maken – een demonstratie van fundamentele natuurkunde die op een dag zou kunnen worden opgenomen in een stukje computertechnologie, zoals een kwantumbit.

"Dit is een startpunt voor het onderzoeken van topologische fasen, waarin kwantumtoestanden beschermd zijn tegen imperfecties", aldus Zhao.

Het Harvard-team werkte samen met collega's Marcel Franz van de Universiteit van British Columbia en Jed Pixley van de Rutgers Universiteit, wiens teams eerder theoretische berekeningen uitvoerden die het gedrag van de cuprate-supergeleider in een breed scala aan draaihoeken nauwkeurig voorspelden. Om de experimentele waarnemingen met elkaar te kunnen verzoenen waren ook nieuwe theorieontwikkelingen nodig, uitgevoerd door Pavel A. Volkov van de Universiteit van Connecticut.

Correctie-opmerking (12/182023):Celsius-graden zijn aan het artikel toegevoegd als aanvulling op de gerelateerde Fahrenheit-metingen.

Meer informatie: S. Y. Frank Zhao et al, Tijdomkeringssymmetrie die de supergeleiding tussen gedraaide cuprate-supergeleiders verbreekt, Wetenschap (2023). DOI:10.1126/science.abl8371

Journaalinformatie: Wetenschap

Aangeboden door Harvard University