In recente jaren, veel materiaalwetenschappers over de hele wereld hebben het potentieel van tweedimensionale (2D) materialen onderzocht, die zijn samengesteld uit een enkele laag of een paar ultradunne lagen atomen en een unieke fysieke, elektrische en optische eigenschappen.

Onderzoekers van de Universiteit van Minnesota en Cornell University hebben onlangs een onderzoek uitgevoerd naar de supergeleiding van niobiumdiselenide met een paar lagen (NbSe ₂ ), een gelaagd overgangsmetaal dat een unieke intrinsieke spin-baankoppeling van het Ising-type vertoont. hun papier, gepubliceerd in Natuurfysica , laat zien dat de supergeleidende toestand van NbSe . met weinig lagen ₂ heeft een dubbele symmetrie, die sterk verschilt van de structuur van de kristallen.

"Er is een enorme interesse in tweedimensionale materialen, zoals NbSe ₂ , omdat wanneer ze bereid zijn om slechts een paar atoomlagen dik te zijn, ze hebben vaak nieuwe eigenschappen, die niet aanwezig zijn in dikke monsters van hetzelfde materiaal, "Vlad S. Pribiag, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Bijvoorbeeld, NbSe ₂ is een supergeleider in zijn bulkvorm, maar wanneer monsters met een paar lagen worden bereid, de kristalsymmetrie verandert, waardoor de supergeleiding veel beter bestand is tegen aangelegde magnetische velden. Dit werd een paar jaar geleden door enkele co-auteurs ontdekt en vormde een aanzet voor ons werk."

Vroeger, onderzoekers voorspelden dat NbSe ₂ zou een topologische supergeleider kunnen zijn. Topologische supergeleiders zijn een unieke klasse van supergeleiders met niet-triviale topologische eigenschappen. Deze unieke supergeleiders hebben veel belangstelling gewekt, omdat ze kunnen voorkomen dat kwantumbits de informatie die ze opslaan kwijtraken; dus, ze kunnen de creatie van nieuwe kwantumcomputers mogelijk maken die topologisch worden beschermd.

Het recente werk van Pribiag en zijn collega's is geïnspireerd op eerdere onderzoeken naar de mogelijkheid dat NbSe ₂ is een topologische supergeleider. In hun experimenten, de onderzoekers onderzochten specifiek de topologische supergeleiding van NbSe ₂ dat is maar een paar atoomlagen dik.

"We ontdekten dat de supergeleidende toestand van enkele laag NbSe ₂ heeft een dubbele symmetrie, die opvallend verschilt van de drievoudige symmetrie van het kristal (d.w.z. het kristal ziet er hetzelfde uit als het 120 graden wordt gedraaid, maar de eigenschappen van de supergeleidende toestand herhalen zich bij een rotatie van 180 graden), Pribiag legde uit. "Deze tweevoudige symmetrie is consistent met de aanwezigheid van twee concurrerende supergeleidende toestanden die qua energie erg dicht bij elkaar liggen:een van deze kan te maken hebben met topologische supergeleiding - en we werken nu aan vervolgexperimenten die gericht zijn op dit bepalen."

In hun experimenten, Pribiag en zijn collega's ontdekten dat anisotropie (d.w.z. een eigenschap waardoor materialen hun fysieke kenmerken kunnen veranderen wanneer ze langs kristalassen in verschillende richtingen worden gemeten) verschenen toen ze een magnetisch veld op het vlak van hun monster roteerden. De onderzoekers onderzochten deze waarneming verder met behulp van twee verschillende soorten monsters.

In één type monster, ze maten het kritieke veld (d.w.z. het veld waarbij supergeleiding verdwijnt). Het tweede type monster, bestudeerd door het team van Cornell University, had een dunne isolerende laag tussen de NbSe ₂ en een magnetisch materiaal, waardoor ze in de NbSe . konden tunnelen ₂ . De twee sets metingen die ze verzamelden, vertoonden beide een tweevoudige anisotropie.

"Atomen in NbSe ₂ zijn uitgelijnd in een periodiek driehoekig patroon en daarom, de natuurkundige eigenschappen binnen zullen naar verwachting een drievoudige rotatiesymmetrie vertonen (d.w.z. het systeem of de omgeving eromheen 120 graden roteren, moet resulteren in fysieke eigenschappen die niet te onderscheiden zijn van die vóór de rotatie), "Ke Wang, een andere onderzoeker die bij het onderzoek betrokken was, vertelde Phys.org. "Echter, we observeerden in plaats daarvan een tweevoudige rotatiesymmetrie van de supergeleidende toestand in NbSe . met een paar lagen ₂ onder in-plan externe magnetische velden, in tegenstelling tot de drievoudige symmetrie van het rooster."

Volgens de Bardeen-Cooper-Schrieffer-theorie (BCS), een gevestigde natuurkundetheorie die supergeleiding verklaart, twee elektronen kunnen met elkaar paren om een ​​zogenaamd bosonisch paar te vormen (d.w.z. Cooper-paar). Deze paren dragen vervolgens bij aan de vorming van een superfluïde elektronen zonder dissipatie, wat leidt tot supergeleiding.

In dik gelaagde, driedimensionaal (3D) NbSe ₂ , de door de BCS-theorie geschetste koppelingsmechanismen vertonen een conventionele s-golfinstabiliteit. Anderzijds, wanneer NbSe ₂ nadert 2D-limieten, een onconventioneel koppelingsmechanisme met d- of p-golfelektronen kan optreden in de aanwezigheid van sterke spin-baankoppeling.

"In onze samples met weinig lagen die de 2D- en 3D-limieten overbruggen, de bovengenoemde twee paringinstabiliteiten vermengen zich en concurreren met elkaar, en leiden tot de 2-voudige symmetrische supergeleiding die we hebben waargenomen, ' legde Wang uit.

Pribia, Wang en hun collega's waren de eersten die duidelijk bewijs verzamelden van het onconventionele koppelingsmechanisme dat optreedt in 2D NbSe ₂ met een paar lagen atomen. Naast het verbreden van het huidige begrip van 2D NbSe ₂ en zijn eigenschappen, de bevindingen die ze verzamelden, roepen fundamentele vragen op over de oorsprong van de ongebruikelijke koppelingsinteracties die ze hebben waargenomen.

"Ons toekomstig onderzoek zal zich richten op het beantwoorden van veel fundamentele vragen over de exotische paring-mechanismen die hebben geleid tot onze recente ontdekking, " zei Wang. "Bijvoorbeeld, is de 2-voudige anisotropie het resultaat van spontane nematische supergeleiding, of sterke gap-mixing veroorzaakt door een klein symmetrie-brekend veld, zoals spanning? Speelt topologische supergeleiding een rol? Onder begeleiding van onze theoriemedewerkers, we zullen monsters onderzoeken met verschillende diktes en atomaire spanningen die ons controle geven over de concurrentie tussen de verschillende orderparameters."

© 2021 Science X Network