Раскрыты уникальные свойства нового сверхпроводника

Международная группа физиков под руководством Университета Миннесоты обнаружила, что уникальный сверхпроводящий металл более эластичен, когда используется в форме очень тонкого слоя. Исследование является первым шагом к более широкой цели понимания нетрадиционных сверхпроводящих состояний в материалах, которые, возможно, могут быть использованы в квантовых вычислениях в будущем.

В этом сотрудничестве участвуют четыре преподавателя факультета физики и астрономии Миннесотского университета - доцент Влад Прибяг, профессор Рафаэль Фернандес (Rafael Fernandes), доценты Фиона Бернелл (Fiona Burnell) и Ке Ван (Ke Wang), а также физики из Корнельского университета и ряда других учреждений. Исследование публикуется в Nature Physics, ежемесячном рецензируемом научном журнале, издаваемом Nature Research.

Диселенид ниобия (NbSe2) является сверхпроводящим металлом. Нередко материалы ведут себя по-разному, когда они очень малых размеров, но NbSe2 имеет потенциально полезные свойства. Исследователи обнаружили, что материал в 2D-форме (очень тонкая подложка толщиной всего в несколько атомных слоев) является более упругим сверхпроводником, поскольку он имеет двойную симметрию, которая сильно отличается от более толстых образцов того же материала.

Вдохновленные теоретическим предсказанием Фернандеса и Бернелла об экзотической сверхпроводимости в этом двумерном материале, Прибяг и Ван начали исследовать атомно-тонкие двумерные сверхпроводящие устройства.

«Мы ожидали, что у него будет шестикратная вращательная симметрия, как у снежинки, - сказал Ван. - Несмотря на шестикратную структуру, в эксперименте материал показал только двукратное поведение».

«Это был один из первых случаев, когда [это явление] было замечено в реальных материалах», - сказал Прибяг.

Исследователи объяснили недавно обнаруженную двукратную вращательную симметрию сверхпроводящего состояния в NbSe2 смешением двух тесно конкурирующих типов сверхпроводимости, а именно обычного s-волнового состояния, типичного для объемного NbSe2, и нетрадиционного состояния d- или p-типа, возникающего в многослойном NbSe2. Два типа сверхпроводимости имеют очень близкие энергии в этой системе. Из-за этого они взаимодействуют и соревнуются друг с другом.

Прибяг и Ван сказали, что позже они узнали, что ученые из Корнельского университета изучали ту же физику, используя другую экспериментальную технику, а именно измерения квантового туннелирования. Они решили объединить свои результаты с исследованием Корнелла и опубликовать всеобъемлющее исследование.

Бернелл, Прибяг и Ван планируют использовать эти первоначальные результаты для дальнейшего исследования свойств атомарно тонкого NbSe2 в сочетании с другими экзотическими 2D-материалами, что в конечном итоге может привести к использованию нетрадиционных сверхпроводящих состояний, таких как топологическая сверхпроводимость, для создания квантовых компьютеров.

«Нам нужен полностью плоский интерфейс атомарного масштаба, - сказал Прибяг. - Мы считаем, что эта система сможет предоставить нам лучшую платформу для изучения материалов, чтобы использовать их в приложениях квантовых вычислений».

Группа физиков из Университета Миннесоты обнаружила, что уникальный сверхпроводящий металл диселенид ниобия (NbSe2) более эластичен при использовании в качестве очень тонкого слоя. На приведенной выше диаграмме показаны различные s-, p- и d-волновые сверхпроводящие состояния в металле