Miten suprajohtavuus syntyy: Uusia oivalluksia moiré-materiaaleista

Würzburgin yliopiston tutkijat löysivät mikroskooppisen yhteyden korreloituneiden elektronitilojen ja suprajohtavuuden välillä.

Se, miten epätavanomainen suprajohtavuus tarkalleen ottaen syntyy, on yksi modernin kiinteän olomuodon fysiikan keskeisistä kysymyksistä.

Tiedelehti Naturessa julkaistu tutkimus tarjoaa ratkaisevia näkemyksiä tähän kysymykseen.

Kansainvälinen tutkimusryhmä pystyi ensimmäistä kertaa osoittamaan suoran mikroskooppisen yhteyden vahvasti korreloivan normaalitilan ja suprajohtavuuden välillä moiré-materiaaleissa.

Pitkällä aikavälillä nämä löydökset voisivat edistää uusien kvanttimateriaalien ja suprajohteiden kehittämistä tulevaisuuden kvanttiteknologioita varten.

Moiré-materiaalit koostuvat atomaarisesti ohuista kidekerroksista, jotka on pinottu toisiinsa nähden hieman kiertyneesti.

Tämä minimaalinen kierre muuttaa perustavanlaatuisesti elektronien käyttäytymistä: niiden liikkuvuus vähenee, mutta niiden keskinäiset vuorovaikutukset tulevat hallitseviksi. Tämä synnyttää uusia kvanttitiloja, kuten korreloituneita eristeitä, magnetismia ja epätavanomaista suprajohtavuutta.

Tähän asti oli kuitenkin epäselvää, miten suprajohtavuus kehittyy näistä vahvasti korreloivista alkutiloista. Selventääkseen tätä tutkijat yhdistivät pyyhkäisytunnelimikroskopialla tehtyjä tarkkoja kokeita teoreettisiin malleihin. Tämä mahdollisti kiertyneiden grafeenijärjestelmien tutkimisen, jotka mahdollistavat erityisen tarkan elektronisten vuorovaikutusten ja symmetrioiden hallinnan.

Aineiston teoreettinen analyysi tehtiin tiiviissä yhteistyössä Princetonin, San Sebastiánin, Frankfurtin ja Hampurin kumppanilaitosten kanssa professori Giorgio Sangiovannin johdolla.

Keskeinen löydös: havaittu suprajohtavuus ei johdu tavallisesta metallista, vaan jo valmiiksi vahvasti korreloivasta tilasta, jossa on rikkonainen symmetria.

Erityisen huomionarvoista oli niin sanotun ”laakso”-vapausasteen spiraalimaisen järjestyksen havaitseminen. Lisäksi tutkijat havaitsivat useita energia-aukkoja, joiden käyttäytyminen vaihtelee lämpötilan ja magneettikentän mukaan – selvä osoitus normaalitilan ja suprajohtavuuden välisestä läheisestä yhteydestä.

Tulokset tarjoavat uuden fysikaalisen ymmärryksen siitä, miten epätavanomainen ja mahdollisesti myös korkean lämpötilan suprajohtavuus syntyy. Pitkällä aikavälillä löydökset voisivat edistää uusien kvanttimateriaalien ja suprajohteiden kohdennettua kehittämistä tulevaisuuden kvanttiteknologioita varten.

Aiheesta aiemmin:

Pseudogap ja suprajohtavuus

Tutkijat havaitsivat korreloitujen häiriöiden lisäävän suprajohtavuutta

Supravirtoja pinotuissa 2D-materiaaleissa