Unter Verwendung modernster magnetischer Bildgebung hat eine von Cornell geleitete Zusammenarbeit zum ersten Mal eine Schlüsseleigenschaft des supraleitenden Zustands einer Klasse von atomar dünnen Materialien charakterisiert, die aufgrund ihrer winzigen Größe zu schwierig zu messen sind.
Die Veröffentlichung der Gruppe, „Superfluid Response of an Atomically Thin Gate-Tuned van der Waals Superconductor“, wurde am 12 Naturkommunikation. Erstautor ist Doktorand Alexander Jarjour.
Das Projekt wurde von Katja Nowack geleitet, Assistenzprofessorin für Physik am College of Arts and Sciences und Seniorautorin der Veröffentlichung, deren Labor entstehende Phänomene und Ordnung in Quantenmaterialien mit einer Reihe von Rastersonden untersucht. Das supraleitende Quanteninterferenzgerät der Gruppe, kurz SQUID, arbeitet besonders gut bei niedrigen Temperaturen und in kleinen Magnetfeldern.
Die Forscher wendeten ihren SQUID – einen von nur mehreren in den USA – auf die anorganische Verbindung Molybdändisulfid an, die als Van-der-Waals-Material bekannt ist. Während chemische Bindungen allgemein als Superkleber der Physik der kondensierten Materie gelten, können Atome auch durch die elektrische Polarisation von Van-der-Waals-Kräften zusammengehalten werden, die vergleichsweise schwächer sind, aber ihren eigenen einzigartigen Vorteil haben. Van-der-Waals-Materialien wie Graphen können abgeblättert und ihre Flocken zu atomar dünnen Schichten zusammengesetzt werden.
„Das Schöne an Van-der-Waals-Materialien ist, dass es eine riesige Auswahl an verschiedenen Arten von physikalischen Systemen gibt, wie Supraleiter und topologische Isolatoren, die man in diesen wirklich dünnen Flocken im Mikrometerbereich herstellen kann“, sagte Jarjour. „Das Schlimme daran ist, dass die Leute in den letzten Jahrzehnten Analysetools erfunden haben, um zu versuchen zu verstehen, was im Inneren von Schüttgütern vor sich geht, also großen Brocken, und diese Tools funktionieren mehr oder weniger ausnahmslos nicht für van der Waals Materialien, weil sie zu dünn und zu klein sind.“
Die typische Methode zur Untersuchung von Van-der-Waals-Supraleitern besteht in der Messung des elektrischen Transports, der zeigen kann, dass ein Phasenübergang zu einem Nullwiderstand aufgetreten ist, wenn die kritische Temperatur erreicht ist. Danach werde man aber, so Nowack, „im Grunde blind“, denn die Methode gebe keine Auskunft darüber, wie viele Elektronen – und auf welche Weise – am supraleitenden Zustand beteiligt seien.
Das Team verbesserte diesen Ansatz, indem es seinen SQUID mit einer mikrometerdicken Schicht aus ionischer Flüssigkeit schleuderte und ihn so nah wie möglich an der zerbrechlichen Probe positionierte, ohne sie zu beschädigen.
Der SQUID zeigte, dass das Material das Magnetfeld des Geräts ausstrahlte.
„Die Magnetfeldausstoßung in Kombination mit einem sehr niedrigen Widerstand zu sehen, ist ein wirklich klares Zeichen dafür, dass etwas ein Supraleiter ist“, sagte Jarjour. „Wir haben einen neuen Meilenstein für jemanden gesetzt, der einen neuen Van-der-Waals-Supraleiter findet und wirklich beweisen will, dass es sich um einen Supraleiter handelt.“
Ebenso wichtig ist, dass die Vertreibung neue Informationen über den elektrischen Transport in Van-der-Waals-Materialien lieferte.
„Wie gut der Supraleiter das Magnetfeld ausstößt, gibt uns Aufschluss darüber, wie viele Elektronen daran beteiligt sind“, sagte Jarjour. „Wir haben das zum ersten Mal in einem atomar dünnen Van-der-Waals-Supraleiter gemessen, und wir haben tatsächlich festgestellt, dass es viele Elektronen gibt, die nicht am supraleitenden Zustand teilnehmen. Wir glauben, dass wir basierend auf den Daten einen vernünftigen Fall haben.“ liegt daran, dass diese Samples elektronische Störungen aufweisen.“
Die Ergebnisse zeigen auch, wie sich 2D-Supraleiter von ihren sperrigeren 3D-Verwandten unterscheiden. In einigen Geräten beobachteten die Forscher Signaturen eines Berezinskii-Kosterlitz-Thouless-Phasenübergangs, der spezifisch für 2D-Materialien ist, während sie in anderen eine erweiterte superfluide Reaktion fanden.
„Ich freue mich, dass wir dieses Werkzeug jetzt nutzen und auf diese große Klasse von wirklich faszinierenden Supraleitern anwenden können, die ein reicher Spielplatz in der Physik der kondensierten Materie sind, um außergewöhnliche supraleitende Phänomene zu realisieren“, sagte Nowack.
Zu den Co-Autoren gehören der Doktorand GM Ferguson; Brian Schäfer; ehemaliger Postdoktorand Menyoung Lee; Yen Lee Loh von der University of North Dakota; und Nandini Trivedi von der Ohio State University.
Mehr Informationen:
Alexander Jarjour et al., Superfluid-Antwort eines atomar dünnen Gate-abgestimmten Van-der-Waals-Supraleiters, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-37210-8