Diagrama de fase superconductor de Ba6Nb11S28. (A) Exceso de conductividad en relación con el estado normal ds (m0H, T) para ángulos de campo q cerca del plano ab (q =90 °). (B) Diferencia entre ds (m0H, T) para q =90 ° yq =84 °. El eje de temperatura está normalizado a TBKT. La curva verde representa el modelo 2D Ginzburg-Landau (2D-GL) de m0Hc2. (C) Dependencia angular de m0Hc2 en T / TBKT =0.3 (naranja) y m0Hc2 en T / TBKT =0.8 (verde, magnificada por un factor de 3). Recuadro:Representación esquemática de m0Hc2 en un sistema 2D limpio donde se espera una mejora dentro de una región crítica | q - 90 ° |
La ciencia de los materiales ha tenido un profundo impacto histórico en la humanidad desde el advenimiento de las edades del Hierro y el Bronce. Ahora, Los científicos de materiales están intrigados por una clase de materiales conocidos como materiales cuánticos, cuyo comportamiento electrónico o magnético no puede ser explicado por la física clásica. Los descubrimientos en el campo de los materiales cuánticos son seguidos por una oleada de investigación para descubrir nueva física o información cuántica en la ciencia. En un nuevo informe ahora publicado en Ciencias , A. Devarakonda y un equipo de científicos en física del Instituto de Tecnología de Massachusetts, La Universidad de Harvard y el Centro Riken de Ciencias de la Materia Emergente en los EE. UU. Y Japón informaron sobre la síntesis de un material cuántico novedoso y muy interesante.
La construcción puede permitir a los físicos estudiar oscuros efectos cuánticos que hasta ahora han permanecido desconocidos. En este estudio, El equipo desarrolló una superrejilla a granel que contiene el superconductor dicalcogenuro de metal de transición (TMD) 2H-disulfuro de niobio (2H-NbS 2, Fase 2H) para generar dos dimensiones mejoradas (2-D), superconductividad inorgánica de alta calidad electrónica y límite limpio.
Superconductividad
La superconductividad puede hipotéticamente permitir aplicaciones de alta velocidad sin pérdida de energía y contribuir al desarrollo de conceptos como trenes expresos levitando. Los investigadores pueden realizar parcialmente estas aplicaciones en la actualidad utilizando materiales que se superconducen a temperaturas suficientemente altas y utilizan materiales 2-D para simplificar los problemas. al tiempo que destaca la física detrás de la superconductividad. Los primeros trabajos experimentales con películas de aluminio granular (Al) y bismuto amorfo (Bi) mostraron superconductividad 2-D al controlar con precisión el espesor de la capa superconductora, que luego se utilizaron en estudios pioneros. Estos incluyen la transición Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT); un ejemplo temprano que describe la transición topológica, por lo que el físico recibió el premio Nobel de física en 2016.
Oscilaciones cuánticas y estructura electrónica de Ba6Nb11S28. (A) Magnetorresistencia en función del campo perpendicular a la temperatura T =0.39 K para diferentes ángulos de rotación del campo q (geometría definida como se muestra en el recuadro). Las curvas se compensan verticalmente en un 150% de la RM para mayor claridad. (B y C) Rango de baja frecuencia (B) y rango completo (C) de amplitud de oscilación cuántica FFT en función de la frecuencia perpendicular F cos (q). Las amplitudes de FFT para las cavidades de alta frecuencia se multiplican por 25. (D) Cálculo de DFT de superficies de Fermi de H-NbS2 monocapa, incluido el acoplamiento espín-órbita (17). (E) Representación del esquema de plegado de zonas que involucra la superestructura 3 × 3 impuesta por la capa de bloque Ba3NbS5 donde la zona reducida de Brillouin está encerrada por la línea en negrita. (F) Estructura electrónica de H-NbS2 monocapa plegada por zonas con áreas de sección transversal de superficie de Fermi observadas experimentalmente dibujadas a escala como círculos sólidos. La caja negra corresponde a 0.01 Å – 2. Crédito:Ciencia, doi:10.1126 / science.aaz6643
En paralelo, Los científicos también han estudiado la superconductividad en masa anisotrópica para comprender el estado superconductor en el contexto de la superconductividad 2-D. que incluyen dicalcogenuros de metales de transición (TMD), es decir, semiconductores atómicamente delgados del tipo MX 2 donde M es un metal de transición y X es un átomo de calcógeno (elementos del grupo 16 en la tabla periódica). Los avances recientes en la ingeniería de materiales también han demostrado la posibilidad de exfoliar materiales en capas de van der Waals (vdW) para permitir que los superconductores 2-D atómicamente delgados sean fácilmente accesibles. Sin embargo, tales escamas de exfoliación pueden degradarse, reduciendo la calidad de la muestra. Devarakonda y col. Por lo tanto, usó 2H-NbS de alta calidad. 2 (2H-disulfuro de niobio) monocapas en este trabajo con un superconductor 2-D de límite limpio que exhibe una transición BKT (Berezinskii-Kosterlitz-Thouless). Luego sintetizaron aún más un material monocristalino; Licenciado en Letras 6 Nótese bien 11 S 28 utilizando H-NbS de alta calidad 2 monocapas y Ba 3 Oficina nacional de normas 5 capas de bloque, dentro del cual las capas de TMD estaban fuertemente desacopladas.
Desarrollo y caracterización de la torta de capas
Devarakonda y col. por lo tanto hizo el material resultante (Ba 6 Nótese bien 11 S 28 ) lo más puro posible para estudiar la física pura de la superconductividad 2-D. El descubrimiento de la superconductividad limpia 2-D en Ba 6 Nótese bien 11 S 28 abrirá la puerta para comprender mejor la superconductividad 2-D asociada con los fenómenos cuánticos. El material contenía capas alternas del superconductor 2-D NbS 2 y una capa espaciadora electrónicamente poco interesante Ba 3 Oficina nacional de normas 5 - muy parecido a un pastel en capas con una fina capa de chocolate (es decir, NbS 2 ) entre capas más gruesas de torta (es decir, la capa espaciadora). Las capas protegieron el NbS 2 capa de agrietamiento o exposición al aire / humedad para permitir una superconductividad 2-D mucho más limpia. El equipo utilizó microscopía electrónica de transmisión de barrido de campo oscuro anular de alto ángulo (HAADF-STEM) para investigar la estructura resultante. El material mostró un superconductor 2-D de límite limpio que exhibía una transición BKT en T BKT =0,82 K y oscilaciones cuánticas 2-D prominentes de Shubnikov-de Haas (SdH); una manifestación macroscópica de la naturaleza cuántica inherente de la materia.
Superconductividad 2D y ruptura de límites de Pauli en Ba6Nb11S28. (A) Características de corriente-voltaje I (V) de T =0,95 K a T =0,28 K. El recuadro muestra la evolución de la ley de potencia V º I a; la línea horizontal marca a =3. (B) Resistividad longitudinal en función del campo m0H para diferentes valores de q. Las curvas están desplazadas verticalmente 20 mW · cm para mayor claridad (líneas horizontales). Las marcas verticales separan las regiones medidas con corriente baja (7 mA) y corriente más alta (70 mA) para evitar la supresión de la superconductividad por calentamiento Joule. Para q =80 ° y 90 °, solo se usa baja corriente. (C) Dependencia angular del campo crítico superior m0Hc2 medido en T =0.28 K con ajustes al modelo 2D-Tinkham, calculado utilizando datos en el rango | q - 90 ° | <1,7 ° (curva violeta) y | q - 90 ° |> 1,7 ° (curva negra), respectivamente. El recuadro muestra una vista detallada cerca de q =90 ° donde se observa una mejora de m0Hc2 (q) a través del límite de Pauli m0HP. Crédito:Ciencia, doi:10.1126 / science.aaz6643 
Usando mediciones de magnetotransporte, Devarakonda y col. mostró la limpieza del material y más evidencia de la arquitectura electrónica 2-D. Los resultados fueron cualitativamente diferentes del material de partida 2H-NbS 2 , que mantenía superficies Fermi deformadas y elípticas en su estructura electrónica. Aunque todavía no se habían informado oscilaciones cuánticas en 2H-NbS 2 , el equipo notó el inicio de oscilaciones cuánticas de Shubnikov-de Haas (SdH) en Ba 6 Nótese bien 11 S 28 dentro de campos magnéticos entre 2 y 3 Tesla para indicar movilidades cuánticas. Los científicos analizaron las oscilaciones cuánticas y la magnetorresistencia de campo bajo de Ba 6 Nótese bien 11 S 28 , que colocó a los materiales en el límite limpio de superconductividad.
Las capas alternas de NbS2 superconductor y un espaciador Ba3NbS5 permiten una alta movilidad de electrones en el NbS2 al mismo tiempo que lo protegen. Esto crea una estructura similar a una "torta de capas" que permite un comportamiento superconductor limpio. Crédito:Ciencia, doi:10.1126 / science.abd4225
También registraron las características de corriente / voltaje del material a lo largo de la transición superconductora. Además de la transición BKT observada, el trabajo mostró la apariencia de un limpio, Estado superconductor 2-D con estabilidad mejorada, que Devarakonda et al. acreditado a la alta pureza del NbS 2 capas en Ba 6 Nótese bien 11 S 28 . Dado que el bulto Ba 6 Nótese bien 11 S 28 material ya mostrado física 2-D, El equipo de investigación propuso originalmente el proceso ahora conocido de insertar las capas espaciadoras en lugar de fabricar nanodispositivos exfoliados detallados en trabajos anteriores. El equipo también notó el alcance para funcionalizar la capa espaciadora mediante la introducción de componentes magnéticos. De este modo, la gran trayectoria libre media electrónica (distancia media recorrida por una partícula en movimiento) de Ba 6 Nótese bien 11 S 28 permitió que la superconductividad de límite limpio realizara potencialmente fases no convencionales como se predijo en superconductores monocapa.
Superconductividad 2D y Ba6Nb11S28. (A) Estudio de materiales superconductores caracterizados por la anisotropía del campo crítico superior Hc c2 =Hab c2 y la relación entre la longitud de coherencia de Pippard y el camino libre medio. El límite entre los límites limpio y sucio se muestra como una línea horizontal. (B) Estructura cristalina de H-MX2 proyectada en el plano ab. La falta de simetría de inversión se ilustra con los socios de inversión del calcógeno (X) que faltan (círculos punteados). (C) La simetría de espejo del plano ab en la monocapa H-MX2 puede romperse con sustratos o campos locales (∇U). (D) Representación de la textura de la órbita-giro del espacio de impulso para la monocapa H-MX2 con diversos grados de acoplamiento de Ising y Rashba. (E) Imagen HAADF-STEM de Ba6Nb11S28 tomada a lo largo del eje (barra de escala, 1 nm). Una simulación de la estructura del modelo se superpone con una celda unitaria sombreada en verde. Licenciado en Letras, Nótese bien, y los átomos de S se representan en azul, rojo, y círculos amarillos, respectivamente. (F) Resistividad en función de la temperatura en Ba6Nb11S28 que muestra la transición superconductora. Recuadro superior:vista ampliada de la transición) y susceptibilidad magnética 4pcc medidos con enfriamiento de campo cero (ZFC) y enfriamiento de campo (FC). Recuadro inferior:capa H-NbS2 y capas de bloque Ba3NbS5 que rompen la simetría especular. Crédito:Ciencia, doi:10.1126 / science.aaz6643
Impacto del nuevo material cuántico
La belleza inherente del material permanece en el crecimiento natural de la heteroestructura, que al igual que una torta de capas se separó naturalmente durante el proceso de síntesis. Esto permitió que el proceso sintético requiriera menos mano de obra en comparación con la adición manual de cada capa. La facilidad de síntesis puede permitir que se desarrollen diferentes tipos de materiales en capas donde las capas 2-D están protegidas naturalmente por su entorno. La técnica puede producir diferentes tipos de materiales cuánticos además de los superconductores, incluidos los aislantes topológicos adecuados para la computación cuántica. El nuevo descubrimiento permite una enfoque alternativo al proceso existente de fabricación de nanodispositivos exfoliados. A. Devarakonda y sus colegas prevén extender esta estrategia a otros materiales más allá del Ba 6 Nótese bien 11 S 28 detallado aquí.
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