Los científicos descubren la existencia de un esquivo estado superconductor predicho por primera vez en 2017

En un experimento innovador, 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 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 tener un impacto, particularmente en el campo de la electrónica superconductora.

Este es el profesor Dr. Justin Ye, jefe del grupo de Física de dispositivos de materiales complejos de la Universidad de Groningen, 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, que dirige el grupo de Física de dispositivos de materiales complejos en la Universidad de Groningen. Ye y su equipo trabajaron en el estado superconductor de Ising. Es un estado especial que puede resistir los campos magnéticos que normalmente destruyen la superconductividad, y ha sido descrito por el equipo en 2015.

En 2019, crearon un dispositivo que comprende una doble capa de bisulfuro de molibdenoe 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, dando como resultado un transistor superconductor.

Elusivo

El dispositivo superconductor acoplado de Ising 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, llamado estado FFLO.

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

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

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

Para crear el estado FFLO en un superconductor convencional, se requiere un fuerte campo magnético. Pero el papel que juega el campo magnético debe ser cuidadosamente refinado. En pocas palabras, para que el campo magnético desempeñe ambos roles, necesitamos usar el efecto Zeeman. Esto separa los electrones en pares de Cooper según la dirección de sus giros (un momento magnético), pero no el efecto orbital, el otro papel que normalmente destruye la superconductividad.

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

Imprenta digital

El primer autor, Puhua Wan, produjo las muestras que cumplieron con todas las condiciones para mostrar 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, elimina el efecto Zeeman. «Al filtrar el ingrediente clave que hace posible el FFLO convencional, hemos proporcionado suficiente espacio para que el campo magnético desempeñe su otro papel, a saber, el efecto orbital», dice Ye.

«Lo que hemos demostrado en nuestro artículo es una huella clara del estado FFLO impulsado por el efecto orbital en nuestro superconductor Ising», dice 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 Ye’s Ising, el estado se logra 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 logró producir muestras del material que cumplían todas las condiciones para demostrar que, de hecho, hay un momento finito en los pares de Cooper. «Los experimentos reales duraron seis meses, pero el análisis de los resultados agregó otro año», dice Ye. Wan es el primer autor de la Naturaleza papel.

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

Referencia: “Estado orbital de Fulde–Ferrell–Larkin–Ovchinnikov en un superconductor de Ising” 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