Los científicos han detectado, a través del transporte de electrones y mediciones de tunelización (contactos grises), un estado superconductor convencional / no convencional mixto en láminas de NbSe2 de unos pocos átomos de espesor (círculos azules y amarillos). NbSe2 es un material bidimensional que ha atraído mucha atención para explorar nuevos estados superconductores debido al fuerte acoplamiento espín-órbita de sus átomos de metales de transición pesados. Aplicando campos magnéticos en el plano (flecha roja) hasta 35T en varios ángulos θ, una señal simétrica doble (elipse púrpura) en la resistencia y la conductancia de túnel se encuentra en el régimen superconductor. Esta simetría observada, que ocurre a pesar de la falta de una estructura doble en el material, sugiere interacciones no triviales que conducen a las señales medidas. Esta observación se atribuye a la mezcla del isótropo convencional (onda s, círculo azul) espacio superconductor con un anisotrópico no convencional (onda p o d, lóbulos rojos) brecha superconductora. Este hallazgo inesperado allana el camino para nuevas investigaciones sobre cómo puede surgir este comportamiento doble, así como informar futuros estudios sobre superconductividad mixta y no convencional en materiales bidimensionales. Crédito:Hamill et al.
En años recientes, muchos científicos de materiales en todo el mundo han estado investigando el potencial de los materiales bidimensionales (2D), que se componen de una sola capa o unas pocas capas ultrafinas de átomos y tienen un físico único, propiedades eléctricas y ópticas.
Investigadores de la Universidad de Minnesota y la Universidad de Cornell llevaron a cabo recientemente un estudio para investigar la superconductividad del diselenuro de niobio de pocas capas (NbSe 2 ), un metal de transición en capas que exhibe un acoplamiento de órbita-espín intrínseco único de tipo Ising. Su papel publicado en Física de la naturaleza , muestra que el estado superconductor de NbSe de pocas capas 2 tiene una simetría doble, que difiere mucho de la estructura de sus cristales.
"Existe un gran interés en los materiales bidimensionales, como NbSe 2 , porque cuando están preparados para tener solo unas pocas capas atómicas de espesor, a menudo tienen nuevas propiedades, que no están presentes en muestras gruesas del mismo material, "Vlad S. Pribiag, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Por ejemplo, NbSe 2 es un superconductor en su forma masiva, pero cuando se preparan muestras de pocas capas, la simetría del cristal cambia, haciendo que la superconductividad sea mucho más resistente a los campos magnéticos aplicados. Esto fue descubierto por algunos de los coautores hace unos años y sirvió como un impulso para nuestro trabajo ".
En el pasado, los investigadores predijeron que NbSe 2 podría ser un superconductor topológico. Los superconductores topológicos son una clase única de superconductores con propiedades topológicas no triviales. Estos superconductores únicos han atraído un interés significativo, ya que pueden evitar que los bits cuánticos pierdan la información que almacenan; por lo tanto, podrían permitir la creación de nuevas computadoras cuánticas que estén protegidas topológicamente.
El trabajo reciente de Pribiag y sus colegas se inspira en estudios anteriores que exploran la posibilidad de que NbSe 2 es un superconductor topológico. En sus experimentos, los investigadores probaron específicamente la superconductividad topológica de NbSe 2 eso tiene solo unas pocas capas atómicas de espesor.
"Descubrimos que el estado superconductor de pocas capas NbSe 2 tiene una simetría doble, que es sorprendentemente distinto de la simetría triple del cristal (es decir, el cristal se ve igual si se gira 120 grados, pero las propiedades del estado superconductor se repiten cuando se gira 180 grados), "Pribiag explicó." Esta simetría doble es consistente con la presencia de dos estados superconductores competidores que están muy cerca en energía:uno de estos podría estar relacionado con la superconductividad topológica, y ahora estamos trabajando en experimentos de seguimiento que apuntan a determinar esto ".
En sus experimentos, Pribiag y sus colegas encontraron que la anisotropía (es decir, una propiedad que permite que los materiales cambien sus características físicas cuando se miden a lo largo de ejes de cristal en diferentes direcciones) apareció cuando giraron un campo magnético en el plano de su muestra. Los investigadores investigaron más esta observación utilizando dos tipos diferentes de muestras.
En un tipo de muestra, midieron el campo crítico (es decir, el campo en el que desaparece la superconductividad). El segundo tipo de muestra, estudiado por el equipo de la Universidad de Cornell, tenía una fina capa aislante entre el NbSe 2 y un material magnético, lo que les permitió hacer un túnel en el NbSe 2 . Los dos conjuntos de medidas que recolectaron mostraron una anisotropía doble.
"Átomos en NbSe 2 están alineados en un patrón triangular periódico y, por lo tanto, Se espera que las propiedades físicas internas exhiban una simetría rotacional triple (es decir, rotar el sistema o el entorno a su alrededor en 120 grados debería resultar en propiedades físicas indistinguibles de las que se encontraban antes de la rotación), "Ke Wang, otro investigador involucrado en el estudio, dijo Phys.org. "Sin embargo, en cambio, observamos una simetría rotacional doble del estado superconductor en NbSe de pocas capas 2 bajo campos magnéticos externos en el plano, en contraste con la simetría triple de la celosía ".
Según la teoría de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS), una teoría física bien establecida que explica la superconductividad, dos electrones pueden emparejarse entre sí para formar un llamado par bosónico (es decir, Pareja de Cooper). Estos pares luego contribuyen a la formación de un superfluido de electrones sin disipación, lo que conduce a la superconductividad.
En capas gruesas, NbSe tridimensional (3D) 2 , los mecanismos de emparejamiento descritos por la teoría BCS exhiben una inestabilidad de onda s convencional. Por otra parte, cuando NbSe 2 se acerca a los límites 2D, en presencia de un fuerte acoplamiento espín-órbita puede ocurrir un mecanismo de emparejamiento no convencional que involucra electrones de ondas d o p.
"En nuestras muestras de pocas capas que superan los límites de 2D y 3D, las dos inestabilidades de emparejamiento anteriores se mezclan y compiten entre sí, y conducir a la superconductividad simétrica doble que observamos, Wang explicó.
Pribiag, Wang y sus colegas fueron los primeros en recopilar evidencia clara del mecanismo de emparejamiento no convencional que ocurre en 2D NbSe 2 con algunas capas de átomos. Además de ampliar la comprensión actual de 2D NbSe 2 y sus propiedades, Los hallazgos que recopilaron plantean preguntas fundamentales sobre el origen de las inusuales interacciones de emparejamiento que observaron.
"Nuestra investigación futura se centrará en responder muchas preguntas fundamentales sobre los exóticos mecanismos de emparejamiento que llevaron a nuestro descubrimiento reciente, "Dijo Wang." Por ejemplo, es la anisotropía doble el resultado de la superconductividad nemática espontánea, o una fuerte mezcla de huecos provocada por un pequeño campo que rompe la simetría, como la tensión? ¿La superconductividad topológica juega un papel? Guiados por nuestros colaboradores teóricos, Investigaremos muestras con diferentes espesores y deformaciones atómicas que nos darán control sobre la competencia entre los diferentes parámetros de orden ".
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