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

Sus hallazgos, que demuestran evidencia de una forma única del estado superconductor FFLO, se publicaron recientemente en la revista Naturaleza. Este avance tiene el potencial de ser impactante, particularmente en el campo de la electrónica superconductora.

Este es el profesor Dr. Justin Ye, jefe del grupo Dispositivos de física de materiales complejos de la Universidad de Groningen en los Países Bajos y autor principal del artículo de Nature sobre el estado superconductor FFLO. Crédito: Sylvia Germes

El autor principal del artículo es el profesor Justin Ye, quien dirige el grupo de Física de dispositivos de materiales complejos en la Universidad de Groningen. Ye y su equipo han estado trabajando en el estado superconductor de Ising. Este es un estado especial que puede resistir campos magnéticos que generalmente destruyen la superconductividad, y esto fue descrito por el equipo en 2015.

En 2019, crearon un dispositivo que comprende una doble capa de bisulfuro de molibdenoy que podría acoplar los estados de superconductividad de Ising que residen en las dos capas. Curiosamente, el dispositivo creado por Ye y su equipo permite activar o desactivar esta protección mediante un campo eléctrico, lo que da como resultado un transistor superconductor.

engañoso

El dispositivo superconductor Ising acoplado arroja luz sobre un desafío de larga data en el campo de la superconductividad. En 1964, cuatro científicos (Fulde, Ferrell, Larkin y Ovchinnikov) predijeron un estado superconductor especial que podría existir en condiciones de baja temperatura y fuerte campo magnético, conocido como estado FFLO.

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

“Este estado es muy elusivo y solo hay un puñado de documentos que afirman su existencia en los superconductores normales”, dice Ye. «Sin embargo, ninguno de ellos es concluyente».

Este diagrama de fase representa la presencia de un estado FFLO orbital anisotrópico de seis veces, que ocupa una parte sustancial del diagrama de fase. En la esquina superior derecha, las ilustraciones esquemáticas muestran la modulación espacial del parámetro de orden superconductor. Crédito: P. Wan / Universidad de Groningen

Para crear el estado FFLO en un superconductor convencional, se necesita un fuerte campo magnético. Pero el papel que juega el campo magnético necesita un ajuste cuidadoso. En pocas palabras, para que el campo magnético realice dos funciones, necesitamos usar el efecto Zeeman. Esto separa los electrones en pares de Cooper en función de la dirección de sus giros (un momento magnético), pero no del efecto orbital, el otro papel que normalmente destruye la superconductividad.

“Es una negociación delicada entre la superconductividad y el campo magnético externo”, explica Ye.

Impresión digital

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

Ising superconductivity, que Ye y sus colaboradores presentaron y publicaron en la revista Ciencia en 2015 suprime el efecto Zeeman. «Al filtrar el ingrediente principal que hace posible el FFLO convencional, brindamos un amplio espacio para que el campo magnético desempeñe su otro papel, a saber, el efecto orbital», dice Ye.

«Lo que demostramos en nuestro artículo es una huella digital clara del estado FFLO impulsado por el efecto orbital en nuestro superconductor Ising», explica Ye. «Este es un estado FFLO no convencional descrito por primera vez en teoría en 2017». El estado FFLO en los superconductores convencionales requiere temperaturas extremadamente bajas 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 ya temperaturas más altas.

transistores

De hecho, Ye observó por primera vez signos de un 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 Ye. Sin embargo, su Ph.D. Desde entonces, el estudiante Puhua Wan ha logrado producir muestras del material que cumplen 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 Ye. Wan es el primer autor de la Naturaleza papel.

Este nuevo estado superconductor necesita más investigación. Ye: “Hay mucho que aprender sobre esto. Por ejemplo, ¿cómo influye el momento cinético en los parámetros físicos? El estudio de este estado proporcionará nuevos conocimientos sobre la superconductividad. Y eso podría permitirnos controlar ese estado en dispositivos como transistores. Este es nuestro próximo desafío”.

Referencia: “Fulde–Ferrell–Larkin–Ovchinnikov Orbital State in an Ising Superconductor” por Puhua Wan, Oleksandr Zheliuk, Noah FQ Yuan, Xiaoli Peng, Le Zhang, Minpeng Liang, Uli Zeitler, Steffen Wiedmann, Nigel E. Hussey, Thomas TM Palstra y Jianting Ye, 24 de mayo de 2023, Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-023-05967-z