Un gruppo di ricerca guidato da Shunsuke Yoshizawa, ricercatore ICYS, NIM, Takashi Uchihashi, leader del gruppo Surface Quantum Phase Materials Group, MANA, NIM, Emi Minamitani, professore assistente, Scuola di Ingegneria, Università di Tokyo, Toshihiko Yokoyama, professoressa, IO SONO S, NINS, e Kazuyuki Sakamoto, professoressa, Scuola di specializzazione in scienze dell'integrazione avanzata, Università di Chiba, è riuscito a controllare con precisione la temperatura di transizione dei superconduttori spessi su scala atomica utilizzando molecole organiche magnetiche. Il team ha anche identificato il meccanismo di controllo.

Materiali dello strato atomico, compreso il grafene, sono stati attivamente studiati negli ultimi anni. In particolare, molta attenzione è stata rivolta alle scoperte di materiali di strati atomici superconduttori con un'elevata temperatura di transizione. Questi materiali sono superiori ai materiali sfusi in quanto le loro proprietà superconduttive possono essere controllate attraverso il drogaggio del vettore delle loro superfici/interfacce. Però, era stato difficile capire il meccanismo del drogaggio dei portatori a livello microscopico.

Il team di ricerca è recentemente riuscito per la prima volta a controllare con precisione la temperatura di transizione degli strati atomici superconduttori utilizzando molecole organiche. Per realizzare questo, il team ha fabbricato un'eterostruttura ideale costituita da uno strato atomico superconduttore e uno strato di molecole organiche altamente ordinate sopra lo strato atomico. La creazione dell'eterostruttura ha consentito al team di eseguire uno studio dettagliato sul meccanismo alla base del drogaggio dei materiali dello strato atomico. Di conseguenza, l'analisi ha rivelato che gli atomi di metallo al centro delle molecole organiche trattenevano gli spin degli elettroni, che potrebbe generare magnetismo. Inoltre, il team ha scoperto che il cambiamento nella temperatura di transizione dei superconduttori è fortemente influenzato dalla competizione tra la carica degli elettroni e lo spin nelle molecole organiche. Inoltre, il team ha scoperto che l'effetto di spin è governato dalla direzione degli orbitali elettronici, che possono essere visti come "gradi di libertà nascosti" nelle molecole.

Alla luce di questi risultati, i ricercatori mirano a migliorare notevolmente le proprietà superconduttive, cioè temperatura di transizione superconduttiva, di queste eterostrutture. Dopo tale miglioramento, i ricercatori sperano di applicare materiali superconduttori in un'ampia varietà di campi in modo che la tecnologia aiuti ad alleviare i problemi ambientali/energetici e sostenga lo sviluppo sostenibile della società.

Questo studio è stato pubblicato in Nano lettere , una rivista dell'American Chemical Society, il 30 marzo, 2017.