Antes de aplicar perturbaciones por la presión mecánica o la tensión del portón eléctrico, el material orgánico correlacionado permanece en un estado aislante ya que los electrones se asientan cómodamente en sus "asientos reservados" en las moléculas. Después de que se aplica el voltaje de la puerta, el número de electrones cambia y da lugar a asientos vacíos (dopados con huecos) o de pie (dopados con electrones). La presión mecánica provoca el cambio en la distancia entre los asientos. La combinación apropiada de estas perturbaciones convierte el material en un superconductor. Crédito:NINS / IMS
En materiales fuertemente correlacionados como superconductores de cuprato de alta temperatura, la superconductividad se puede controlar cambiando el número de electrones o cambiando la energía cinética, o transferir energía, de electrones en el sistema. Aunque se ha examinado una gran cantidad de materiales fuertemente correlacionados con diferentes parámetros para comprender el mecanismo de la superconductividad, el rango de control de parámetros siempre es limitado. Hace tiempo que se deseaba un método experimental versátil para lograr el control simultáneo del número y la energía de transferencia de los electrones.
Un transistor eléctrico flexible de doble capa (EDLT), o transistor "correlacionado", compuesto de un material orgánico fuertemente correlacionado fue construido (Fig.1) por investigadores de RIKEN, Instituto de Ciencia Molecular (IMS), Universidad de Nagoya y Universidad de Toho. El número de electrones se puede controlar mediante los voltajes de puerta del EDLT, y la energía de transferencia de electrones se puede controlar doblando el sustrato EDLT. Descubrieron que el sistema cambió de un aislante a un superconductor en ambos casos de aumento y disminución del número de electrones. Condiciones para estos estados superconductores en los dos casos anteriores, sin embargo, se encontraron fundamentalmente diferentes. Además, otro estado superconductor emergió cuando se dobló el sustrato. El presente resultado se publicó en línea el Avances de la ciencia el 10 de mayo 2019.
Los investigadores fabricaron el EDLT utilizando un cristal del material orgánico fuertemente correlacionado hecho de moléculas BEDT-TTF (bis (etilenditio) tetratiafulvaleno) (Fig. 1). Al aplicar el voltaje de la puerta a la superficie del cristal, el número de electrones se puede aumentar (dopaje de electrones) y disminuir (dopaje de huecos). Este dispositivo EDLT es flexible, y la energía de transferencia se puede controlar aplicando fuerza mecánica (tensión) desde la parte posterior del EDLT. Los investigadores controlaron con éxito la superconductividad en una muestra idéntica, cambiando con precisión tanto el voltaje de la puerta como la tensión.
La resistividad se muestra mediante colores. La región del aislante (rojo) está rodeada por las regiones superconductoras (azul). Las formas de las regiones aislantes y superconductoras difieren entre los rangos negativo y positivo del voltaje de la puerta. La forma de la región superconductora dopada con electrones (e-SC) resulta bastante anómala. Crédito:NINS / IMS
La figura 2 muestra las regiones de estados superconductores. La abscisa muestra el voltaje de la puerta, que corresponde al número de electrones dopados. La ordenada muestra la tensión aplicada al dispositivo al doblarlo. Al descender por la ordenada, los electrones se mueven más fácilmente porque aumenta la energía cinética de los electrones. La región del estado de aislamiento (rojo) está rodeada por las regiones de los estados superconductores (azul). Dos regiones superconductoras de los lados izquierdo y derecho de la región aislante tienen una forma significativamente diferente en la Fig.2. Especialmente el estado superconductor apareció con un número creciente de electrones (el lado derecho en la Fig.2) muestra un comportamiento notable que el estado apareció de repente con un pequeño aumento porcentual del número de electrones y desapareció con la adición de un exceso de electrones. Los estados superconductores se pueden obtener aumentando y disminuyendo el número de electrones. Sin embargo, las características de los dos estados son fundamentalmente diferentes.
El diagrama de fase bidimensional (Fig. 2) se obtuvo así utilizando la muestra única. El diagrama muestra la naturaleza de la transición de fase superconductora, que se ha anticipado a partir de datos recopilados de muchas muestras diferentes antes de que aparezca este dispositivo. Por lo tanto, este método experimental recientemente desarrollado se acelera para obtener los diagramas de fase. Más fundamentalmente, Dibujar el diagrama de fase completo de la misma muestra nos permite obtener resultados más confiables independientemente de los efectos de la impureza y de la diferencia en las estructuras cristalinas.
Este método experimental puede aplicarse a varios materiales orgánicos fuertemente correlacionados. Un ejemplo interesante es el líquido de espín cuántico en el que las direcciones de los espines de los electrones se mueven aleatoriamente incluso a 0 Kelvin. Los experimentos con el líquido de espín cuántico revelarán la relación entre la superconductividad y el magnetismo (disposición de los espines de los electrones). También es notable que el diagrama de fase del sistema de electrones fuertemente correlacionado es un objetivo importante de los simuladores cuánticos. El presente resultado proporciona una posible solución estándar para los métodos de cálculo de reciente desarrollo.
