Diagramma di fase superconduttore di Ba6Nb11S28. (A) Eccesso di conduttività rispetto allo stato normale ds(m0H, T) per angoli di campo q vicino al piano ab (q =90°). (B) Differenza tra ds(m0H, T) per q =90° e q =84°. L'asse della temperatura è normalizzato a TBKT. La curva verde rappresenta il modello 2D Ginzburg-Landau (2D-GL) di m0Hc2. (C) Dipendenza angolare di m0Hc2 a T/TBKT =0,3 (arancione) e m0Hc2 a T/TBKT =0,8 (verde, ingrandito di un fattore 3). Riquadro:Rappresentazione schematica di m0Hc2 in un sistema 2D pulito in cui è previsto un miglioramento all'interno di una regione critica |q – 90°|
La scienza dei materiali ha avuto un profondo impatto storico sull'umanità dall'avvento dell'età del ferro e del bronzo. Attualmente, gli scienziati dei materiali sono incuriositi da una classe di materiali noti come materiali quantistici, il cui comportamento elettronico o magnetico non può essere spiegato dalla fisica classica. Le scoperte nel campo dei materiali quantistici sono seguite da un'ondata di ricerca per scoprire nuova fisica o informazioni quantistiche nella scienza. In un nuovo rapporto ora pubblicato su Scienza , A. Devarakonda e un team di scienziati in fisica presso il Massachusetts Institute of Technology, L'Università di Harvard e il Riken Center for Emergent Matter Science negli Stati Uniti e in Giappone hanno riportato la sintesi di un nuovo materiale quantistico molto interessante.
Il costrutto potrebbe consentire ai fisici di studiare effetti quantistici oscuri che finora sono rimasti sconosciuti. In questo studio, il team ha sviluppato un superreticolo sfuso contenente il superconduttore dicalcogenuro di metallo di transizione (TMD) 2H-niobio disolfuro (2H-NbS 2, fase 2H) per generare una maggiore bidimensionalità (2-D), alta qualità elettronica e superconduttività inorganica clean-limit.
Superconduttività
La superconduttività può ipoteticamente consentire applicazioni ad alta velocità senza perdita di potenza e contribuire allo sviluppo di concetti come la levitazione dei treni espressi. I ricercatori possono attualmente realizzare in parte tali applicazioni utilizzando materiali che superconducono a temperature sufficientemente elevate e utilizzano materiali 2-D per semplificare i problemi, evidenziando la fisica dietro la superconduttività. I primi lavori sperimentali con film di alluminio granulare (Al) e bismuto amorfo (Bi) hanno mostrato la superconduttività 2-D controllando con precisione lo spessore dello strato superconduttore, che sono stati poi utilizzati in studi pionieristici. Questi includono la transizione Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT); un primo esempio che descrive la transizione topologica, per il quale fisico ha ricevuto il premio Nobel per la fisica nel 2016.
Oscillazioni quantistiche e struttura elettronica di Ba6Nb11S28. (A) Magnetoresistenza in funzione del campo perpendicolare alla temperatura T =0,39 K per diversi angoli di rotazione del campo q (geometria definita come mostrato nel riquadro). Le curve sono sfalsate verticalmente del 150% di MR per chiarezza. (B e C) Gamma a bassa frequenza (B) e gamma completa (C) dell'ampiezza dell'oscillazione quantistica FFT in funzione della frequenza perpendicolare F cos(q). Le ampiezze FFT per le tasche a frequenza più alta vengono moltiplicate per 25. (D) Calcolo DFT delle superfici di Fermi monostrato H-NbS2 compreso l'accoppiamento spin-orbita (17). (E) Rappresentazione dello schema di piegatura della zona che coinvolge la sovrastruttura 3 × 3 imposta dallo strato di blocchi Ba3NbS5 in cui la zona di Brillouin ridotta è racchiusa dalla linea in grassetto. (F) Struttura elettronica del monostrato zonefolded H-NbS2 con aree della sezione trasversale della superficie di Fermi osservate sperimentalmente disegnate in scala come cerchi pieni. La scatola nera corrisponde a 0,01 Å–2. Credito:Scienza, doi:10.1126/science.aaz6643
In parallelo, gli scienziati hanno anche studiato la superconduttività di massa anisotropa per comprendere lo stato superconduttivo nel contesto della superconduttività 2-D, che includono dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD), cioè semiconduttori atomicamente sottili del tipo MX 2 dove M è un metallo di transizione e X è un atomo di calcogeno (gruppo 16 elementi nella tavola periodica). I recenti progressi nell'ingegneria dei materiali hanno anche mostrato la possibilità di esfoliare i materiali stratificati di van der Waals (vdW) per consentire ai superconduttori 2-D atomicamente sottili di essere facilmente accessibili. Però, tali fiocchi di esfoliazione possono degradarsi, riducendo la qualità del campione. Devarakonda et al. quindi utilizzato 2H-NbS . di alta qualità 2 (2H-niobio disolfuro) in questo lavoro con un superconduttore 2-D clean-limit che mostra una transizione BKT (Berezinskii-Kosterlitz-Thouless). Hanno quindi ulteriormente sintetizzato un materiale a cristallo singolo; Ba 6 Nb 11 S 28 utilizzando H-NbS . di alta qualità 2 monostrati e Ba 3 NbS 5 strati di blocco, all'interno del quale gli strati TMD erano fortemente disaccoppiati.
Sviluppo e caratterizzazione della torta a strati
Devarakonda et al. quindi realizzato il materiale risultante (Ba 6 Nb 11 S 28 ) il più puro possibile per studiare la fisica pura della superconduttività 2-D. La scoperta della superconduttività 2-D pulita in Ba 6 Nb 11 S 28 aprirà la porta per comprendere meglio la superconduttività 2-D associata ai fenomeni quantistici. Il materiale conteneva strati alternati del superconduttore 2-D NbS 2 e uno strato distanziatore elettronicamente poco interessante Ba 3 NbS 5 – molto simile a una torta a strati con un sottile strato di cioccolato (cioè NbS 2 ) tra strati di torta più spessi (ovvero lo strato distanziatore). La stratificazione ha protetto il NbS 2 strato da fessurazione o esposizione all'aria/umidità per consentire una superconduttività 2-D molto più pulita. Il team ha utilizzato la microscopia elettronica a trasmissione a scansione di campo oscuro anulare ad alto angolo (HAADF-STEM) per studiare la struttura risultante. Il materiale mostrava un superconduttore 2-D a limite pulito che mostrava una transizione BKT a T BKT =0,82 K e importanti oscillazioni quantistiche 2-D Shubnikov-de Haas (SdH); una manifestazione macroscopica della natura quantistica intrinseca della materia.
Superconduttività 2D e rottura del limite di Pauli in Ba6Nb11S28. (A) Caratteristiche corrente-tensione I(V) da T =0,95 K a T =0,28 K. Il riquadro mostra l'evoluzione della legge di potenza V º I a; la linea orizzontale segna a =3. (B) Resistività longitudinale in funzione del campo m0H per diversi valori di q. Le curve sono sfalsate verticalmente di 20 mW·cm per chiarezza (linee orizzontali). I tick verticali separano le regioni misurate con una corrente bassa (7 mA) e una corrente più alta (70 mA) per evitare la soppressione della superconduttività dovuta al riscaldamento Joule. Per q =80° e 90°, viene utilizzata solo una bassa corrente. (C) Dipendenza angolare del campo critico superiore m0Hc2 misurata a T =0,28 K con adattamenti al modello 2D-Tinkham, calcolato utilizzando dati nell'intervallo |q – 90°| <1,7° (curva viola) e |q – 90°|> 1,7° (curva nera), rispettivamente. L'inserto mostra una vista dettagliata vicino a q =90° dove si osserva un miglioramento di m0Hc2(q) attraverso il limite di Pauli m0HP. Credito:Scienza, doi:10.1126/science.aaz6643 
Utilizzando misure di magnetotrasporto, Devarakonda et al. ha mostrato la pulizia del materiale e ulteriori prove per l'architettura elettronica 2-D. I risultati sono stati qualitativamente differenti dal materiale di partenza 2H-NbS 2 , che manteneva nella sua struttura elettronica superfici di Fermi deformate ed ellittiche. Sebbene le oscillazioni quantistiche non fossero ancora state riportate in 2H-NbS 2 , il team ha notato l'inizio delle oscillazioni quantistiche di Shubnikov-de Haas (SdH) a Ba 6 Nb 11 S 28 all'interno di campi magnetici tra 2 e 3 Tesla per indicare mobilità quantistica. Gli scienziati hanno analizzato le oscillazioni quantistiche e la magnetoresistenza a basso campo di Ba 6 Nb 11 S 28 , che poneva i materiali nel limite netto della superconduttività.
Strati alternati di NbS2 superconduttore e un distanziatore Ba3NbS5 consentono un'elevata mobilità degli elettroni nell'NbS2 proteggendolo. Questo crea una struttura simile a una "torta a strati" che consente un comportamento superconduttivo pulito. Credito:Scienza, doi:10.1126/science.abd4225
Hanno anche registrato le caratteristiche di corrente/tensione del materiale attraverso la transizione superconduttiva. Oltre alla transizione BKT osservata, il lavoro ha mostrato l'aspetto di un pulito, Stato superconduttore 2-D con stabilità migliorata, quale Devarakonda et al. attribuito all'elevata purezza del NbS 2 strati in Ba 6 Nb 11 S 28 . Poiché la massa Ba 6 Nb 11 S 28 materiale già visualizzato fisica 2-D, il team di ricerca ha originariamente proposto l'ormai noto processo di inserimento degli strati distanziatori invece di fabbricare nanodispositivi esfoliati descritti nel lavoro precedente. Il team ha anche notato la possibilità di funzionalizzare lo strato distanziatore introducendo componenti magnetici. In questo modo, il grande cammino libero medio elettronico (distanza media percorsa da una particella in movimento) di Ba 6 Nb 11 S 28 ha permesso alla superconduttività con limite pulito di realizzare potenzialmente fasi non convenzionali come previsto nei superconduttori monostrato.
Superconduttività 2D e Ba6Nb11S28. (A) Rilievo di materiali superconduttori caratterizzati da anisotropia del campo critico superiore Hc c2=Hab c2 e rapporto tra la lunghezza di coerenza di Pippard e il cammino libero medio. Il confine tra i limiti pulito e sporco viene mostrato come una linea orizzontale. (B) Struttura cristallina di H-MX2 proiettata sul piano ab. La mancanza di simmetria di inversione è illustrata dai partner di inversione del calcogeno (X) mancanti (cerchi tratteggiati). (C) La simmetria dello specchio del piano ab nel monostrato H-MX2 può essere interrotta da substrati o campi locali (∇U). (D) Rappresentazione della trama spin-orbita dello spazio di momento per il monostrato H-MX2 con vari gradi di accoppiamento Ising e Rashba. (E) Immagine HAADF-STEM di Ba6Nb11S28 presa lungo l'asse (barra della scala, 1nm). Una simulazione della struttura del modello è sovrapposta a una cella unitaria ombreggiata in verde. ba, Nb, e gli atomi di S sono rappresentati in blu, rosso, e cerchi gialli, rispettivamente. (F) Resistività in funzione della temperatura in Ba6Nb11S28 che mostra la transizione superconduttiva. Riquadro superiore:Vista ingrandita della transizione) e suscettività magnetica 4pcc misurate con raffreddamento a campo zero (ZFC) e raffreddamento a campo (FC). Riquadro inferiore:strato H-NbS2 e strati di blocchi Ba3NbS5 che rompono la simmetria dello specchio. Credito:Scienza, doi:10.1126/science.aaz6643
Impatto del nuovo materiale quantistico
La bellezza intrinseca del materiale rimane nella crescita naturale dell'eterostruttura, che, proprio come una torta a strati, si è naturalmente separata durante il processo di sintesi. Ciò ha permesso al processo sintetico di essere molto meno laborioso rispetto all'aggiunta manuale di ogni strato. La facilità di sintesi può consentire lo sviluppo di diversi tipi di materiali stratificati in cui gli strati 2-D sono naturalmente protetti dal loro ambiente. La tecnica può produrre diversi tipi di materiali quantistici oltre ai superconduttori, compresi isolanti topologici adatti per il calcolo quantistico. La nuova scoperta consente un più semplice, approccio alternativo al processo esistente di fabbricazione di nanodispositivi esfoliati. A. Devarakonda e colleghi prevedono di estendere questa strategia ad altri materiali oltre il Ba 6 Nb 11 S 28 dettagliato qui.
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