Onderzoekers observeren tweevoudige symmetrische supergeleiding in 2D niobiumdiselenide

In de afgelopen jaren hebben veel materiaalwetenschappers over de hele wereld het potentieel van tweedimensionale (2D) materialen onderzocht, die zijn samengesteld uit een enkele laag of een paar ultradunne lagen atomen en die unieke fysische, elektrische en optische eigenschappen hebben.

Onderzoekers van de Universiteit van Minnesota en de Cornell University hebben onlangs een onderzoek uitgevoerd naar de supergeleiding van niobiumdiselenide met enkele lagen (NbSe₂), een gelaagd overgangsmetaal dat een unieke intrinsieke spin-orbit-koppeling van het Ising-type vertoont. Hun paper, gepubliceerd in Natuurfysica, laat zien dat de supergeleidende toestand van een paar lagen NbSe₂ heeft een tweevoudige symmetrie, die sterk verschilt van de structuur van de kristallen.

“Er is een enorme belangstelling voor tweedimensionale materialen, zoals NbSe₂, want als ze bereid zijn om slechts een paar atoomlagen dik te zijn, hebben ze vaak nieuwe eigenschappen, die niet aanwezig zijn in dikke monsters van hetzelfde materiaal, ” vertelde Vlad S. Pribiag, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde. Phys.org. “Bijvoorbeeld, NbSe₂ is een supergeleider in zijn bulkvorm, maar wanneer monsters met een paar lagen worden bereid, verandert de kristalsymmetrie, waardoor de supergeleiding veel veerkrachtiger wordt voor aangelegde magnetische velden. Dit werd een paar jaar geleden door sommige co-auteurs ontdekt en diende als een stimulans voor ons werk. “

In het verleden voorspelden onderzoekers dat NbSe₂ zou een topologische supergeleider kunnen zijn. Topologische supergeleiders zijn een unieke klasse van supergeleiders met niet-triviale topologische eigenschappen. Deze unieke supergeleiders hebben veel belangstelling gewekt, omdat ze kunnen voorkomen dat kwantumbits de informatie die ze opslaan kwijtraken; zo zouden ze de creatie van nieuwe kwantumcomputers mogelijk kunnen maken die topologisch beschermd zijn.

Het recente werk van Pribiag en zijn collega’s is geïnspireerd op eerdere onderzoeken naar de mogelijkheid dat NbSe₂ is een topologische supergeleider. In hun experimenten hebben de onderzoekers specifiek de topologische supergeleiding van NbSe onderzocht₂ dat is slechts een paar atoomlagen dik.

“We ontdekten dat de supergeleidende staat van enkele laag NbSe₂ heeft een tweevoudige symmetrie, die opvallend verschilt van de drievoudige symmetrie van het kristal (dat wil zeggen, het kristal ziet er hetzelfde uit als het 120 graden wordt gedraaid, maar de eigenschappen van de supergeleidende toestand worden herhaald bij het 180 graden draaien), ” legt Pribiag uit. . “Deze tweevoudige symmetrie komt overeen met de aanwezigheid van twee concurrerende supergeleidende toestanden die qua energie zeer dicht bij elkaar liggen: een daarvan zou verband kunnen houden met topologische supergeleiding – en we werken nu aan vervolgexperimenten die dit willen bepalen. “

In hun experimenten ontdekten Pribiag en zijn collega’s dat anisotropie (dwz een eigenschap die het mogelijk maakt dat materialen hun fysieke eigenschappen veranderen wanneer ze langs kristalassen in verschillende richtingen worden gemeten) optrad als ze een magnetisch veld in het vlak van hun monster roteerden. De onderzoekers onderzochten deze waarneming verder met behulp van twee verschillende soorten monsters.

In één type monster maten ze het kritische veld (dwz het veld waarop supergeleiding verdwijnt). Het tweede type monster, bestudeerd door het team van Cornell University, had een dunne isolatielaag tussen de NbSe₂ en een magnetisch materiaal, waardoor ze in de NbSe konden tunnelen₂. De twee sets metingen die ze verzamelden, toonden beide een tweevoudige anisotropie.

“Atomen in NbSe₂ zijn uitgelijnd in een periodiek driehoekig patroon en daarom wordt verwacht dat de fysische eigenschappen binnenin een drievoudige rotatiesymmetrie vertonen (dwz het draaien van het systeem of de omgeving eromheen met 120 graden zou moeten resulteren in fysieke eigenschappen die niet te onderscheiden zijn van die voor de rotatie), “Ke Wang, een andere onderzoeker die bij de studie betrokken was, vertelde Phys.org.” In plaats daarvan zagen we in plaats daarvan een tweevoudige rotatiesymmetrie van de supergeleidende toestand in enkele lagen NbSe.₂ onder externe magnetische velden in het vlak, in tegenstelling tot de drievoudige symmetrie van het rooster. “

Volgens de Bardeen-Cooper-Schrieffer-theorie (BCS), een gevestigde fysica-theorie die supergeleiding verklaart, kunnen twee elektronen met elkaar paren om een ​​zogenaamd Bosonic-paar te vormen (dwz Cooper-paar). Deze paren dragen vervolgens bij aan de vorming van een dissipatie-loze elektronen-supervloeistof, wat leidt tot supergeleiding.

In dikgelaagde, driedimensionale (3D) NbSe₂, vertonen de koppelingsmechanismen die worden geschetst door de BCS-theorie een conventionele s-golf-instabiliteit. Aan de andere kant, wanneer NbSe₂ 2D-limieten benadert, kan een onconventioneel koppelingsmechanisme met d- of p-golfelektronen optreden in de aanwezigheid van sterke spin-orbit-koppeling.

“In onze weinige monsters die de 2D- en 3D-limieten overbruggen, vermengen en concurreren de bovenstaande twee paarinstabiliteiten met elkaar, en leiden tot de 2-voudige symmetrische supergeleiding die we hebben waargenomen”, legt Wang uit.

Pribiag, Wang en hun collega’s waren de eersten die duidelijk bewijs verzamelden van het onconventionele koppelingsmechanisme dat optreedt in 2D NbSe₂ met een paar lagen atomen. Naast het verbreden van het huidige begrip van 2D NbSe₂ en de eigenschappen ervan, roepen de bevindingen die ze verzamelden fundamentele vragen op over de oorsprong van de ongebruikelijke koppelingsinteracties die ze hebben waargenomen.

“Ons toekomstige onderzoek zal zich richten op het beantwoorden van veel fundamentele vragen over de exotische koppelingsmechanismen die hebben geleid tot onze recente ontdekking”, zei Wang. “Is de 2-voudige anisotropie bijvoorbeeld het resultaat van spontane nematische supergeleiding, of sterke gap-mixing veroorzaakt door een klein symmetrie-brekend veld, zoals spanning? Speelt topologische supergeleiding een rol? Onder leiding van onze theoretische medewerkers, zullen we onderzoek monsters met verschillende dikte en atomaire spanning die ons controle geven over de concurrentie tussen de verschillende orderparameters. ”