In een belangrijke ontwikkeling op het gebied van supergeleiding hebben onderzoekers van de Universiteit van Manchester met succes robuuste supergeleiding bereikt in hoge magnetische velden met behulp van een nieuw gecreëerd eendimensionaal (1D) systeem. Deze doorbraak biedt een veelbelovende route naar het bereiken van supergeleiding in het quantum Hall-regime, een al lang bestaande uitdaging in de fysica van de gecondenseerde materie.
Supergeleiding, het vermogen van bepaalde materialen om elektriciteit zonder weerstand te geleiden, biedt een groot potentieel voor de vooruitgang van kwantumtechnologieën. Het bereiken van supergeleiding in het quantum Hall-regime, gekenmerkt door gekwantiseerde elektrische geleiding, is echter een enorme uitdaging gebleken.
Het onderzoek, deze week (25 april 2024) gepubliceerd in NATUUR, beschrijft uitgebreid werk van het Manchester-team onder leiding van professor Andre Geim, dr. Julien Barrier en dr. Na Xin om supergeleiding te bereiken in het quantum Hall-regime. Hun aanvankelijke inspanningen volgden de conventionele route waarbij tegenvoortplantende randstaten dicht bij elkaar werden gebracht. Deze aanpak bleek echter beperkt.
“Onze eerste experimenten waren in de eerste plaats gemotiveerd door de sterke, aanhoudende belangstelling voor nabijheidssupergeleiding die wordt veroorzaakt langs quantum Hall-randtoestanden”, legt Dr. Barrier, hoofdauteur van het artikel, uit. “Deze mogelijkheid heeft geleid tot talloze theoretische voorspellingen over de opkomst van nieuwe deeltjes die bekend staan als niet-abelse anyons.”
Het team onderzocht vervolgens een nieuwe strategie, geïnspireerd op hun eerdere werk, dat aantoonde dat grenzen tussen domeinen in grafeen zeer geleidend zouden kunnen zijn. Door dergelijke domeinmuren tussen twee supergeleiders te plaatsen, bereikten ze de gewenste ultieme nabijheid tussen tegengestelde randtoestanden, terwijl de effecten van wanorde tot een minimum werden beperkt.
“We werden aangemoedigd om grote superstromen bij relatief ‘zachte’ temperaturen tot 1 Kelvin waar te nemen in elk apparaat dat we vervaardigden,” herinnert Dr. Barrier zich.
Uit verder onderzoek bleek dat de nabijheidssupergeleiding niet voortkwam uit de quantum Hall-randtoestanden die zich langs domeinmuren voortplanten, maar eerder uit strikt 1D elektronische toestanden die binnen de domeinmuren zelf bestaan.
Deze 1D-toestanden, waarvan het bestaan is bewezen door de theoriegroep van professor Vladimir Fal'ko van het National Graphene Institute, vertoonden een groter vermogen om te hybridiseren met supergeleiding in vergelijking met kwantum-Hall-randtoestanden. Aangenomen wordt dat de inherente eendimensionale aard van de innerlijke toestanden verantwoordelijk is voor de waargenomen robuuste superstromen bij hoge magnetische velden.
Deze ontdekking van single-mode 1D-supergeleiding toont opwindende mogelijkheden voor verder onderzoek. “In onze apparaten planten elektronen zich in twee tegengestelde richtingen voort binnen dezelfde ruimte op nanoschaal en zonder verstrooiing”, legt Dr. Barrier uit. “Dergelijke 1D-systemen zijn uitzonderlijk zeldzaam en veelbelovend voor het aanpakken van een breed scala aan problemen in de fundamentele natuurkunde.”
Het team heeft al het vermogen aangetoond om deze elektronische toestanden te manipuleren met behulp van poortspanning en staande elektronengolven te observeren die de supergeleidende eigenschappen moduleerden.
“Het is fascinerend om te bedenken wat dit nieuwe systeem ons in de toekomst kan brengen. De 1D-supergeleiding biedt een alternatief pad naar het realiseren van topologische quasideeltjes die het quantum Hall-effect en supergeleiding combineren”, besluit Dr. Xin. “Dit is slechts één voorbeeld van het enorme potentieel dat onze bevindingen in zich dragen.”
Dit onderzoek door de Universiteit van Manchester, twintig jaar na de komst van het eerste 20D-materiaal grafeen, betekent een nieuwe stap voorwaarts op het gebied van supergeleiding. De ontwikkeling van deze nieuwe 2D-supergeleider zal naar verwachting deuren openen voor vooruitgang in de kwantumtechnologieën en de weg vrijmaken voor verdere verkenning van de nieuwe natuurkunde, wat de belangstelling van verschillende wetenschappelijke gemeenschappen zal wekken.