Los científicos han descubierto la existencia de un esquivo estado superconductor, que se predijo por primera vez en 2017.

Científicos de la Universidad de Groningen y sus socios internacionales han confirmado la existencia del estado superconductor, FFLO, que se predijo teóricamente en 2017. Su dispositivo, que utiliza una doble capa de disulfuro de molibdeno para controlar este estado, podría avanzar significativamente en el campo de la electrónica superconductora.

En el innovador experimento, los investigadores de la Universidad de Groningen colaboraron con sus pares de las Universidades de Nijmegen y Twente en los Países Bajos y el Instituto de Tecnología de Harbin en China. Juntos, confirmaron la existencia del estado superconductor, que se predijo por primera vez en 2017.

Sus hallazgos, que brindan evidencia de una forma única del estado superconductor FFLO, se publicaron recientemente en la revista Naturaleza. Este avance podría tener un impacto, especialmente en el campo de la electrónica superconductora.

Este es el Prof. Dr. Justin Yee, director del Grupo de Física de Materiales Complejos de la Universidad de Groningen (Países Bajos) y autor principal del artículo de Nature sobre el estado superconductor FFLO. Crédito: Silvia Jermes

El autor principal del artículo es el profesor Justin Yeh, que dirige el Grupo de física de dispositivos de materiales complejos en la Universidad de Groningen. Tú y su equipo trabajaron en el estado superconductor de Ising. Este es un estado especial que puede soportar campos magnéticos que básicamente destruyen la superconductividad, y fue descrito por el equipo en 2015.

En 2019, crearon dispositivo que consta de una doble capa de bisulfuro de molibdenoe, que puede combinar estados superconductores de Ising que residen en ambas capas. Curiosamente, el dispositivo que crearon Ye y su equipo permite que esta protección se active o desactive mediante un campo eléctrico, lo que da como resultado un transistor superconductor.

Elusivo

Un dispositivo superconductor Ising combinado arroja luz sobre un desafío de larga data en la superconductividad. En 1964, cuatro científicos (Fulde, Ferrell, Larkin y Ovchinnikov) predijeron un estado superconductor especial que podría existir a bajas temperaturas y fuertes campos magnéticos, llamado estado FFLO.

En la superconductividad estándar, los electrones se mueven en direcciones opuestas como pares de Cooper. Como se mueven a la misma velocidad, estos electrones tienen un momento cinético total cero. Sin embargo, en el estado FFLO, existe una pequeña diferencia de velocidad entre los electrones en los pares de Cooper, lo que significa que existe un momento cinético neto.

«Este estado es muy oscuro y solo hay unos pocos artículos que afirman su existencia en los superconductores normales», dice E. «Pero nada de eso es definitivo».

Este diagrama de fase ilustra la presencia de un estado FFLO orbital anisótropo séxtuple, que ocupa una parte significativa del diagrama de fase. Las ilustraciones esquemáticas en la esquina superior derecha muestran la modulación espacial del parámetro de orden superconductor. Crédito: p. Universidad de Van / Groningen

Se requiere un fuerte campo magnético para crear un estado FFLO en un superconductor convencional. Pero es necesario afinar el papel que desempeña el campo magnético. En pocas palabras, para que el campo magnético desempeñe dos funciones, necesitamos usar el efecto Zeeman. Esto separa los electrones en pares de Cooper en función de la dirección de sus espines (momento magnético), pero no del efecto orbital, el otro papel que suele destruir la superconductividad.

«Es una negociación delicada entre la superconductividad y el campo magnético externo», explica E.

Huella dactilar

El primer autor, Puhua Wang, produjo muestras que cumplieron con todos los requisitos para demostrar que, de hecho, hay un momento finito en los pares de Cooper. Crédito: p. Universidad de Van / Groningen

Superconductividad de Ising, que Yi y sus colegas informaron y publicaron en la revista Ciencia 2015 suprime el efecto Zeman. «Al eliminar el componente clave que hace posible el FFLO convencional, hemos proporcionado suficiente espacio para que el campo magnético desempeñe su otro papel, que es el efecto orbital», dice Yeh.

«Lo que mostramos en nuestro artículo es una clara huella digital del estado FFLO impulsado por el efecto orbital en nuestro superconductor Ising», explica E. «Este es un estado FFLO no convencional que se teorizó por primera vez en 2017». El estado FFLO en los superconductores convencionales requiere una temperatura extremadamente baja y un campo magnético muy fuerte, lo que dificulta su creación. Sin embargo, en el superconductor Ising de Ye, el estado se alcanza con un campo magnético más débil y una temperatura más alta.

transistores

De hecho, Ye observó por primera vez signos del estado FFLO en su dispositivo superconductor de disulfuro de molibdeno en 2019. «En ese momento, no pudimos probarlo porque las muestras no eran lo suficientemente buenas», dice Yeh. Sin embargo, su Ph.D. Desde entonces, el estudiante Puhua Wang logró hacer muestras del material que cumplieron con todos los requisitos para demostrar que, de hecho, hay un momento finito en los pares de Cooper. «Los experimentos reales tomaron medio año, pero el análisis de los resultados agregó otro año», dice E. Van es el primer autor del libro. Naturaleza papel

Este nuevo estado superconductor necesita más investigación. Sí. “Hay mucho que aprender al respecto. Por ejemplo, ¿cómo afecta el momento cinético a los parámetros físicos? El estudio de este estado proporcionará nuevos conocimientos sobre la superconductividad. Y esto puede permitirnos controlar este estado en dispositivos como los transistores. Ese es nuestro próximo desafío».

Referencia. «Estado orbital Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov en un superconductor Ising» Puhua Wan, Oleksandr Zheliuk, Noah FQ Yuan, Xiaoli Peng, Le Zhang, Minpeng Liang, Uli Zeitler, Steffen Wiedmann, Nigel E. TM Yesstraing, Jigel E. Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-023-05967-z