Los científicos descubren un escurridizo estado superconductor predicho por primera vez en 2017

En un experimento innovador, investigadores de la Universidad de Groningen colaboraron con colegas de las Universidades de Nijmegen y Twente en los Países Bajos y el Instituto de Tecnología de Harbin en China. Juntos, confirmaron la existencia de un estado superconductor que se predijo por primera vez en 2017.

Sus hallazgos, que establecen evidencia de una forma única del estado FFLO superconductor, se publicaron recientemente en la revista naturaleza. Este avance tiene el potencial de ser influyente, particularmente en el campo de la electrónica superconductora.

Este es el Prof. Dr. Justin Yee, Presidente del Grupo de Física de Dispositivos para Materiales Complejos de la Universidad de Groningen en los Países Bajos, y autor principal del artículo de Nature sobre el estado superconductor de FFLO. Crédito: Sylvia Germes

El autor principal del artículo es el profesor Justin Yee, que dirige el grupo de Física de dispositivos para materiales complejos en la Universidad de Groningen. Ye y su equipo han estado trabajando en el caso superconductor de Ising. Este es un caso especial que puede resistir los campos magnéticos que destruyen la superconductividad en general, y eso fue todo. El equipo lo describió en 2015..

En 2019, crearon Dispositivo compuesto por una doble capa de bisulfuro de molibdenoe puede asociarse con los estados superconductores de Ising presentes en las dos capas. Curiosamente, el dispositivo que crearon Ye y su equipo permite activar o desactivar esta protección mediante un campo eléctrico, lo que da como resultado un transistor superconductor.

Elusivo

El dispositivo superconductor doble de Ising arroja luz sobre un desafío de larga data en el campo de la superconductividad. En 1964, cuatro científicos (Fulde, Ferrell, Larkin y Ovchinnikov) predijeron un estado superconductor especial que puede existir en condiciones de baja temperatura y fuerte campo magnético, denominado estado FFLO.

En la superconductividad estándar, los electrones viajan en direcciones opuestas como pares de Cooper. Como se mueven a la misma velocidad, el momento total de estos electrones es cero. Sin embargo, en el caso de FFLO, hay poca diferencia de velocidad entre los electrones en los pares de Cooper, lo que implica un momento cinético neto.

«Este caso es muy elusivo y solo hay unos pocos materiales que afirman ser superconductores ordinarios», dice Ye. Sin embargo, nada de esto es concluyente.

Este diagrama de fase muestra la existencia de un estado orbital séxtuple anisótropo, que ocupa gran parte del diagrama de fase. En la esquina superior derecha, las ilustraciones esquemáticas muestran la modulación espacial del parámetro de orden superconductor. Crédito: P. Wan/Universidad de Groningen

Para crear el estado FFLO en un superconductor convencional, se necesita un fuerte campo magnético. Pero el papel que juega el campo magnético debe ajustarse con precisión. En pocas palabras, para que el campo magnético desempeñe dos funciones, necesitamos usar el efecto Zeeman. Esto separa los electrones en pares de Cooper según su dirección de giro (momento magnético), pero no según el efecto orbital, el otro papel que generalmente destruye la superconductividad.

«Es una negociación delicada entre la superconductividad y el campo magnético externo», explica Yi.

huella dactilar

El primer autor, Buhua Wan, produjo muestras que cumplieron con todos los requisitos para demostrar que, de hecho, existe un impulso finito en los pares de Cooper. Crédito: P. Wan/Universidad de Groningen

es la superconductividad, que fueron presentados por Ye y sus colaboradores y publicados en la revista Ciencias En 2015, suprimió el efecto Zeeman. «Al filtrar el componente clave que hace posible el FFLO convencional, liberamos un amplio espacio para que el campo magnético desempeñe su otro papel, que es el efecto orbital», dice Ye.

«Lo que hemos mostrado en nuestro artículo es una huella clara del estado FFLO impulsado por el efecto orbital en el superconductor Ising», explica Yi. «Este es un caso atípico de FFLO, descrito teóricamente por primera vez en 2017». El estado FFLO en los superconductores convencionales requiere temperaturas muy bajas y campos magnéticos muy fuertes, lo que dificulta su formación. Sin embargo, en el superconductor Ising de Ye, el estado se alcanza con un campo magnético más débil ya temperaturas más altas.

transistores

De hecho, Yi notó por primera vez signos del estado FFLO en su dispositivo superconductor para disulfuro de molibdeno en 2019. «En ese momento, no pudimos probarlo porque las muestras no eran lo suficientemente buenas», dice Yi. Sin embargo, obtuvo su Ph.D. Desde entonces, el estudiante Puhua Wan ha logrado producir muestras de material que cumplieron con todos los requisitos para demostrar que, de hecho, hay un momento finito en los pares de Cooper. «Los ensayos reales tomaron medio año, pero el análisis de los resultados agregó otro año», dice Ye. Wan es el primer autor de la naturaleza papel.

Este nuevo estado superconductor necesita más investigación. Usted: «Hay mucho que aprender al respecto. Por ejemplo, ¿cómo afecta el momento cinético a los parámetros físicos? Estudiar este estado proporcionará nuevos conocimientos sobre la superconductividad. Esto puede permitirnos controlar este estado en dispositivos como los transistores. Este es nuestro próximo desafío».

Referencia: «Estado orbital de Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov en el superconductor Ising» por Puhua Wan, Oleksandr Zheliuk, Noah FQ Yuan, Xiaoli Peng, Le Zhang, Minpeng Liang, Uli Zeitler, Steffen Wiedmann, Nigel E. naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-023-05967-z