2017年に最初に予測されていたとらえどころのない超伝導状態を科学者が発見

フローニンゲン大学とその国際パートナーの科学者らは、2017年に理論的に予測されていた超伝導状態FFLOの存在を確認した。二硫化モリブデンの二重層を使用してこの状態を制御する彼らの装置は、超伝導エレクトロニクスの分野を大きく前進させる可能性がある。

画期的な実験で、フローニンゲン大学の研究者は、オランダのナイメーヘン大学とトゥウェンテ大学、中国のハルビン工業大学の研究者と協力しました。 彼らは共に、2017年に最初に予測された超伝導状態の存在を確認した。

超電導FFLO状態の独特な形態の証拠を確立する彼らの発見は、最近雑誌に掲載されました。 自然。 この画期的な進歩は、特に超電導エレクトロニクスの分野に影響を与える可能性があります。

これは、オランダのフローニンゲン大学の複合材料デバイス物理グループの議長であり、FFLO の超伝導状態に関する Nature 論文の筆頭著者である Justin Yee 教授です。 クレジット: シルビア・ジャーメス

この論文の筆頭著者は、フローニンゲン大学の複合材料デバイス物理学グループを率いる Justin Yee 教授です。 葉氏と彼のチームはイジング超電導事件に取り組んでいる。 これは、超電導一般を破壊する磁場に耐えることができる特殊なケースです。 研究チームは2015年にそれについて説明した。

2019 年に彼らは 二硫化モリブデンの二重層を含むデバイスe は、2 つの層に存在するイジング超伝導状態に関連付けることができます。 興味深いことに、Ye 氏と彼のチームが作成したデバイスは、電場を使用してこの保護をオンまたはオフにすることを可能にし、その結果、超伝導トランジスタが実現します。

とらえどころのない

イジングの二重超電導デバイスは、超電導分野における長年の課題に光を当てます。 1964 年、4 人の科学者 (フルデ、フェレル、ラーキン、オフチニコフ) は、FFLO 状態と呼ばれる、低温と強い磁場の条件下で存在できる特殊な超伝導状態を予測しました。

標準的な超伝導では、電子はクーパー対として反対方向に移動します。 これらの電子は同じ速度で移動しているため、これらの電子の運動量の合計はゼロです。 ただし、FFLO の場合、クーパー対の電子間に速度の差はほとんどなく、これは正味の運動量を意味します。

「この事例は非常にとらえどころがなく、通常の超伝導体であると主張する物質はわずかしかありません」とYe氏は言う。 ただし、どれも決定的なものではありません。

この状態図は、状態図の大部分を占める異方性の 6 重軌道状態の存在を示しています。 右上隅の概略図は、超伝導秩序パラメータの空間変調を示しています。 クレジット: P. Wan/フローニンゲン大学

従来の超電導体でFFLO状態を作り出すには、強い磁場が必要です。 しかし、磁場が果たす役割は微調整する必要があります。 簡単に言えば、磁場が 2 つの役割を果たすためには、ゼーマン効果を利用する必要があります。 これにより、電子はスピンの方向 (磁気モーメント) に基づいてクーパー対に分離されますが、軌道効果 (通常は超伝導を破壊するもう 1 つの役割) には基づいて分離されません。

「超伝導と外部磁場の間の微妙な交渉です」とイー氏は説明する。

指紋

筆頭著者の Buhua Wan は、クーパーペアに実際に有限の運動量が存在することを証明するために、すべての要件を満たすサンプルを作成しました。 クレジット: P. Wan/フローニンゲン大学

超伝導はYeと彼の共同研究者によって発表され、雑誌に掲載されました。 科学 2015年にはゼーマン効果を抑制した。 「従来の FFLO を可能にする重要な要素を除去することで、磁場が軌道効果という別の役割を果たすための十分なスペースを確保しました」と Ye 氏は言います。

「私たちが論文で示したことは、イジング超伝導体における軌道効果によって駆動される FFLO 状態の明確な痕跡です」と Yi 氏は説明します。 「これは典型的なFFLOのケースで、2017年に初めて理論的に説明されました。」 従来の超電導体における FFLO 状態は非常に低い温度と非常に強い磁場を必要とするため、その形成が困難でした。 しかし、イェーのイジング超伝導体では、より弱い磁場とより高い温度でこの状態に達します。

トランジスタ

実際、Yi 氏は、2019 年に二硫化モリブデンの超電導デバイスで FFLO 状態の兆候に初めて気づきました。「当時は、サンプルが十分に良好ではなかったため、それを証明できませんでした」と Yi 氏は言います。 しかし、彼は博士号を取得しています。 その後、学生のプファ・ワン氏は、クーパーペアに実際に有限の運動量が存在することを示すためのすべての要件を満たす材料のサンプルを作成することに成功しました。 「実際の試験には半年かかったが、結果の分析にはさらに1年かかった」とイェ氏は言う。 ワンはこの本の最初の著者です。 自然 紙。

この新しい超電導状態についてはさらなる研究が必要です。 あなた: 「それについて学ぶべきことはたくさんあります。たとえば、運動量は物理パラメータにどのように影響しますか? この状態を研究することで、超伝導についての新たな洞察が得られます。これにより、トランジスタなどのデバイスでこの状態を制御できる可能性があります。これが私たちの次の課題です。」

参考文献：「イジング超伝導体の軌道フルデ・フェレル・ラーキン・オフチニコフ状態」Puhua Wan、Oleksandr Zheliuk、Noah FQ Yuan、Xiaoli Peng、Le Zhang、Minpeng Liang、Uli Zeitler、Steffen Wiedmann、Nigel E. 自然。
DOI: 10.1038/s41586-023-05967-z