Para ilmuwan menemukan keadaan superkonduktor yang sulit dipahami yang diprediksi pertama kali pada tahun 2017

Para ilmuwan dari University of Groningen dan mitra internasional mereka telah mengkonfirmasi keberadaan negara superkonduktor, FFLO, yang diprediksi secara teoritis pada tahun 2017. Perangkat mereka, yang menggunakan lapisan ganda molibdenum disulfida untuk mengontrol keadaan ini, dapat sangat memajukan bidang elektronika superkonduktor.

Dalam percobaan terobosan, para peneliti dari University of Groningen berkolaborasi dengan rekan-rekan dari Universitas Nijmegen dan Twente di Belanda, dan Institut Teknologi Harbin di China. Bersama-sama, mereka mengkonfirmasi keberadaan negara superkonduktor yang pertama kali diprediksi pada tahun 2017.

Temuan mereka, yang membuktikan bukti bentuk unik dari keadaan FFLO superkonduktor, baru-baru ini diterbitkan dalam jurnal alam. Terobosan ini berpotensi berpengaruh, khususnya di bidang elektronika superkonduktor.

Ini adalah Prof. Dr. Justin Yee, Ketua Kelompok Fisika Perangkat untuk Bahan Kompleks di Universitas Groningen di Belanda, dan penulis utama makalah Nature tentang keadaan superkonduktor FFLO. Kredit: Sylvia Germes

Penulis utama makalah ini adalah Profesor Justin Yee, yang mengepalai Fisika Perangkat untuk kelompok Bahan Kompleks di Universitas Groningen. Ye dan timnya sedang mengerjakan kasus superkonduktor Ising. Ini adalah kasus khusus yang dapat menahan medan magnet yang merusak superkonduktivitas secara umum, dan hanya itu Tim menggambarkannya pada 2015.

Pada 2019, mereka menciptakan Perangkat yang terdiri dari lapisan ganda molibdenum disulfidae dapat dikaitkan dengan kondisi superkonduktor Ising yang ada di dua lapisan. Menariknya, perangkat yang Ye dan timnya buat memungkinkan untuk menghidupkan atau mematikan perlindungan ini menggunakan medan listrik, menghasilkan transistor superkonduktor.

Sukar dipahami

Perangkat superkonduktor ganda Ising menyoroti tantangan lama di bidang superkonduktivitas. Pada tahun 1964, empat ilmuwan (Fulde, Ferrell, Larkin, dan Ovchinnikov) meramalkan keadaan superkonduktor khusus yang dapat eksis dalam kondisi suhu rendah dan medan magnet yang kuat, disebut sebagai keadaan FFLO.

Dalam superkonduktivitas standar, elektron bergerak berlawanan arah sebagai pasangan Cooper. Karena mereka bergerak dengan kecepatan yang sama, momentum total elektron ini adalah nol. Namun, dalam kasus FFLO, ada sedikit perbedaan kecepatan antara elektron pada pasangan Cooper, yang mengimplikasikan momentum kinetik bersih.

“Kasus ini sangat sulit dipahami dan hanya ada beberapa bahan yang diklaim sebagai superkonduktor biasa,” kata Ye. Namun, semua ini tidak konklusif.

Diagram fase ini menunjukkan adanya keadaan orbit enam kali lipat anisotropik, yang menempati sebagian besar diagram fase. Di sudut kanan atas, ilustrasi skema menunjukkan modulasi spasial dari parameter urutan superkonduktor. Kredit: P. Wan/Universitas Groningen

Untuk membuat keadaan FFLO dalam superkonduktor konvensional, diperlukan medan magnet yang kuat. Tetapi peran yang dimainkan oleh medan magnet perlu disesuaikan dengan baik. Sederhananya, agar medan magnet memainkan dua peran, kita perlu menggunakan efek Zeeman. Ini memisahkan elektron menjadi pasangan Cooper berdasarkan arah putarannya (momen magnetik), tetapi tidak pada efek orbital — peran lain yang biasanya merusak superkonduktivitas.

“Ini adalah negosiasi rumit antara superkonduktivitas dan medan magnet luar,” jelas Yi.

sidik jari

Penulis pertama Buhua Wan menghasilkan sampel yang memenuhi semua persyaratan untuk menunjukkan bahwa memang ada momentum terbatas pada pasangan Cooper. Kredit: P. Wan/Universitas Groningen

adalah superkonduktivitas, yang dipresentasikan oleh Ye dan kolaboratornya dan diterbitkan dalam jurnal Ilmu Pada 2015, dia menekan efek Zeeman. “Dengan memfilter komponen kunci yang memungkinkan FFLO konvensional, kami membebaskan ruang yang cukup untuk medan magnet untuk memainkan peran lainnya, yaitu efek orbital,” kata Ye.

“Apa yang telah kami tunjukkan dalam makalah kami adalah jejak yang jelas dari keadaan FFLO yang digerakkan oleh efek orbital dalam superkonduktor Ising,” jelas Yi. “Ini adalah kasus FFLO atipikal, pertama kali dijelaskan secara teoritis pada tahun 2017.” Keadaan FFLO pada superkonduktor konvensional membutuhkan suhu yang sangat rendah dan medan magnet yang sangat kuat, sehingga sulit untuk dibentuk. Namun, dalam superkonduktor Ye’s Ising, keadaan dicapai dengan medan magnet yang lebih lemah dan pada suhu yang lebih tinggi.

transistor

Faktanya, Yi pertama kali melihat tanda-tanda status FFLO di perangkat superkonduktor untuk molibdenum disulfida pada tahun 2019. “Saat itu, kami tidak dapat membuktikannya, karena sampelnya tidak cukup bagus,” kata Yi. Namun, dia telah mendapatkan gelar Ph.D. Murid Puhua Wan sejak itu berhasil menghasilkan sampel materi yang memenuhi semua persyaratan untuk menunjukkan bahwa memang ada momentum terbatas pada pasangan Cooper. “Uji coba sebenarnya memakan waktu setengah tahun, tetapi menganalisis hasilnya menambahkan satu tahun lagi,” kata Ye. Wan adalah penulis pertama dari alam kertas.

Keadaan superkonduktor baru ini perlu penyelidikan lebih lanjut. Anda: “Banyak yang harus dipelajari tentangnya. Misalnya, bagaimana momentum kinetik memengaruhi parameter fisik? Mempelajari keadaan ini akan memberikan wawasan baru tentang superkonduktivitas. Hal ini memungkinkan kita untuk mengontrol keadaan ini dalam perangkat seperti transistor. Ini adalah tantangan kita berikutnya.”

Referensi: “Kondisi Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov Orbital dalam superkonduktor Ising” oleh Puhua Wan, Oleksandr Zheliuk, Noah FQ Yuan, Xiaoli Peng, Le Zhang, Minpeng Liang, Uli Zeitler, Steffen Wiedmann, Nigel E. alam.
DOI: 10.1038/s41586-023-05967-z