Gli scienziati hanno rilevato, attraverso misure di trasporto di elettroni e tunneling (contatti grigi), uno stato superconduttore misto convenzionale/non convenzionale in fogli di NbSe2 dello spessore di pochi atomi (cerchi blu e gialli). NbSe2 è un materiale bidimensionale che ha attirato molta attenzione nell'esplorazione di nuovi stati superconduttori a causa del forte accoppiamento spin-orbita dei suoi pesanti atomi di metallo di transizione. Applicando campi magnetici nel piano (freccia rossa) fino a 35T a vari angoli θ, un doppio segnale simmetrico (ellisse viola) nella resistenza e nella conduttanza tunneling si trova nel regime superconduttore. Questa simmetria osservata, che si verifica nonostante la mancanza di una duplice struttura nel materiale, suggerisce interazioni non banali che portano ai segnali misurati. Questa osservazione è attribuita al mescolamento dell'isotropo convenzionale (onda s, cerchio blu) gap superconduttore con un anisotropo non convenzionale (onda p o d, lobi rossi) gap superconduttore. Questa scoperta inaspettata apre la strada a ulteriori indagini su come possa sorgere questo duplice comportamento, oltre a informare studi futuri sulla superconduttività mista e non convenzionale nei materiali bidimensionali. Credito:Hamill et al.
Negli ultimi anni, molti scienziati dei materiali in tutto il mondo hanno studiato il potenziale dei materiali bidimensionali (2D), che sono composti da un singolo strato o da pochi strati ultrasottili di atomi e hanno un fisico unico, proprietà elettriche ed ottiche.
I ricercatori dell'Università del Minnesota e della Cornell University hanno recentemente condotto uno studio sulla superconduttività del diseleniuro di niobio a pochi strati (NbSe 2 ), un metallo di transizione stratificato che mostra un accoppiamento spin-orbita di tipo Ising intrinseco unico. La loro carta, pubblicato in Fisica della natura , mostra che lo stato superconduttore di NbSe . a pochi strati 2 ha una doppia simmetria, che differisce molto dalla struttura dei suoi cristalli.
"C'è un enorme interesse per i materiali bidimensionali, come NbSe 2 , perché quando sono preparati per essere spessi solo pochi strati atomici, hanno spesso nuove proprietà, che non sono presenti in campioni spessi dello stesso materiale, "Vlad S. Pribiag, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Per esempio, NbSe 2 è un superconduttore nella sua forma bulk, ma quando vengono preparati campioni a pochi strati, la simmetria del cristallo cambia, rendendo la superconduttività molto più resistente ai campi magnetici applicati. Questo è stato scoperto da alcuni coautori alcuni anni fa ed è servito da impulso per il nostro lavoro".
Nel passato, i ricercatori hanno predetto che NbSe 2 potrebbe essere un superconduttore topologico. I superconduttori topologici sono una classe unica di superconduttori con proprietà topologiche non banali. Questi superconduttori unici hanno attirato un notevole interesse, in quanto possono impedire ai bit quantistici di perdere le informazioni che memorizzano; così, potrebbero consentire la creazione di nuovi computer quantistici protetti topologicamente.
Il recente lavoro di Pribiag e dei suoi colleghi trae ispirazione da studi precedenti che esplorano la possibilità che NbSe 2 è un superconduttore topologico. Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno specificamente sondato la superconduttività topologica di NbSe 2 questo è spesso solo pochi strati atomici.
"Abbiamo scoperto che lo stato superconduttore di pochi strati di NbSe 2 ha una doppia simmetria, che è sorprendentemente distinto dalla triplice simmetria del cristallo (cioè, il cristallo sembra lo stesso se ruotato di 120 gradi, ma le proprietà dello stato superconduttore si ripetono ruotando di 180 gradi), " ha spiegato Pribiag. "Questa duplice simmetria è coerente con la presenza di due stati superconduttori in competizione che sono molto vicini in termini di energia:uno di questi potrebbe essere correlato alla superconduttività topologica e ora stiamo lavorando su esperimenti di follow-up che mirano a determinare questo."
Nei loro esperimenti, Pribiag e i suoi colleghi hanno scoperto che l'anisotropia (cioè, una proprietà che consente ai materiali di cambiare le proprie caratteristiche fisiche quando misurati lungo gli assi del cristallo in direzioni diverse) è apparso mentre ruotavano un campo magnetico sul piano del loro campione. I ricercatori hanno studiato ulteriormente questa osservazione utilizzando due diversi tipi di campioni.
In un tipo di campione, hanno misurato il campo critico (cioè, campo in cui scompare la superconduttività). Il secondo tipo di campione, studiato dal team della Cornell University, aveva un sottile strato isolante tra il NbSe 2 e un materiale magnetico, che ha permesso loro di scavare nel NbSe 2 . Le due serie di misurazioni che hanno raccolto hanno mostrato una doppia anisotropia.
"Atomi in NbSe 2 sono allineati secondo uno schema triangolare periodico e quindi, le proprietà fisiche all'interno dovrebbero esibire una simmetria rotazionale tripla (cioè, la rotazione del sistema o dell'ambiente attorno ad esso di 120 gradi dovrebbe portare a proprietà fisiche indistinguibili da quelle prima della rotazione), "Ke Wang, un altro ricercatore coinvolto nello studio, ha detto a Phys.org. "Però, abbiamo invece osservato una doppia simmetria rotazionale dello stato superconduttore in NbSe . a pochi strati 2 sotto campi magnetici esterni nel piano, in contrasto con la triplice simmetria del reticolo."
Secondo la teoria di Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS), una teoria fisica ben consolidata che spiega la superconduttività, due elettroni possono accoppiarsi tra loro per formare una cosiddetta coppia bosonica (cioè, Cooper coppia). Queste coppie poi contribuiscono alla formazione di un superfluido elettronico senza dissipazione, che porta alla superconduttività.
A strati spessi, tridimensionale (3D) NbSe 2 , i meccanismi di accoppiamento delineati dalla teoria BCS mostrano un'instabilità convenzionale dell'onda s. D'altra parte, quando NbSe 2 si avvicina ai limiti 2D, un meccanismo di accoppiamento non convenzionale che coinvolge gli elettroni dell'onda d o p può verificarsi in presenza di un forte accoppiamento spin-orbita.
"Nei nostri campioni a pochi strati che colmano i limiti 2D e 3D, le suddette due instabilità di accoppiamento si mescolano e competono tra loro, e portano alla superconduttività simmetrica doppia che abbiamo osservato, "Ha spiegato Wang.
Pribiag, Wang e i loro colleghi sono stati i primi a raccogliere prove evidenti del meccanismo di accoppiamento non convenzionale che si verifica in 2D NbSe 2 con pochi strati di atomi. Oltre ad ampliare l'attuale comprensione di 2D NbSe 2 e le sue proprietà, i risultati che hanno raccolto sollevano domande fondamentali sull'origine delle insolite interazioni di accoppiamento che hanno osservato.
"La nostra ricerca futura si concentrerà sulla risposta a molte domande fondamentali sui meccanismi di accoppiamento esotici che hanno portato alla nostra recente scoperta, " Wang ha detto. "Per esempio, è l'anisotropia doppia il risultato della superconduttività nematica spontanea, o un forte gap-mixing innescato da un piccolo campo di rottura della simmetria, come ceppo? La superconduttività topologica ha un ruolo? Guidati dai nostri collaboratori teorici, indagheremo campioni con spessore e deformazione atomica variabili che ci daranno il controllo sulla competizione tra i diversi parametri di ordine".
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