Supraconductivité 2-D en couches :Développement d'une supraconductivité 2-D propre dans un super-réseau de van der Waals en vrac

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Diagramme de phase supraconducteur du Ba6Nb11S28. (A) excès de conductivité par rapport à l'état normal ds(m0H, T) pour les angles de champ q près du plan ab (q =90°). (B) Différence entre ds(m0H, T) pour q =90° et q =84°. L'axe des températures est normalisé à TBKT. La courbe verte représente le modèle 2D Ginzburg-Landau (2D-GL) de m0Hc2. (C) Dépendance angulaire de m0Hc2 à T/TBKT =0,3 (orange) et m0Hc2 à T/TBKT =0,8 (vert, grossie d'un facteur 3). Encart :représentation schématique de m0Hc2 dans un système 2D propre où une amélioration est attendue dans une région critique |q – 90°| HP (ligne continue bleu foncé). Les études théoriques des supraconducteurs 2D FFLO prédisent en outre une cascade d'états de vortex magnétiques qui apparaissent comme une ondulation de m0Hc2(q) dans ce régime (37) (ligne pointillée rouge). Crédit :Sciences, doi:10.1126/science.aaz6643

La science des matériaux a eu un impact historique profond sur l'humanité depuis l'avènement des âges du fer et du bronze. Présentement, les scientifiques des matériaux sont intrigués par une classe de matériaux appelés matériaux quantiques, dont le comportement électronique ou magnétique ne peut être expliqué par la physique classique. Les découvertes dans le domaine des matériaux quantiques sont suivies d'une vague de recherches pour découvrir de nouvelles informations physiques ou quantiques dans la science. Dans un nouveau rapport maintenant publié le Science , A. Devarakonda et une équipe de scientifiques en physique du Massachusetts Institute of Technology, L'Université de Harvard et le Riken Center for Emergent Matter Science aux États-Unis et au Japon ont rapporté la synthèse d'un nouveau matériau quantique très intéressant.

La construction peut permettre aux physiciens d'étudier des effets quantiques obscurs qui sont jusqu'à présent restés inconnus. Dans cette étude, l'équipe a développé un superréseau en vrac contenant le supraconducteur dichalcogénure de métal de transition (TMD) 2H-disulfure de niobium (2H-NbS 2, phase 2H) pour générer une amélioration bidimensionnelle (2-D), haute qualité électronique et supraconductivité inorganique à limite propre.

Supraconductivité

La supraconductivité peut hypothétiquement permettre des applications à grande vitesse sans perte de puissance et contribuer au développement de concepts tels que la lévitation des trains express. Les chercheurs peuvent réaliser en partie de telles applications à l'heure actuelle en utilisant des matériaux supraconducteurs à des températures suffisamment élevées et en utilisant des matériaux 2D pour simplifier les problèmes, tout en mettant en évidence la physique derrière la supraconductivité. Les premiers travaux expérimentaux avec des films granulaires d'aluminium (Al) et de bismuth amorphe (Bi) ont montré une supraconductivité 2D en contrôlant avec précision l'épaisseur de la couche supraconductrice, qui ont ensuite été utilisés dans des études révolutionnaires. Il s'agit notamment de la transition Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) ; un premier exemple décrivant la transition topologique, pour lequel le physicien a reçu le prix Nobel de physique en 2016.

Oscillations quantiques et structure électronique du Ba6Nb11S28. (A) magnétorésistance en fonction du champ perpendiculaire à la température T =0,39 K pour différents angles de rotation de champ q (géométrie définie comme indiqué dans l'encart). Les courbes sont décalées verticalement de 150 % de MR pour plus de clarté. (B et C) Gamme basse fréquence (B) et gamme complète (C) d'amplitude d'oscillation quantique FFT en fonction de la fréquence perpendiculaire F cos(q). Les amplitudes FFT pour les poches à haute fréquence sont multipliées par 25. (D) Calcul DFT des surfaces de Fermi H-NbS2 monocouches incluant le couplage spin-orbite (17). (E) Représentation du schéma de pliage de zone impliquant la superstructure 3 × 3 imposée par la couche de blocs Ba3NbS5 où la zone réduite de Brillouin est entourée par la ligne en gras. (F) Structure électronique de la monocouche pliée en zones H-NbS2 avec des sections transversales de surface de Fermi observées expérimentalement dessinées à l'échelle sous forme de cercles pleins. La boîte noire correspond à 0,01 Å–2. Crédit :Sciences, doi:10.1126/science.aaz6643

En parallèle, les scientifiques ont également étudié la supraconductivité en vrac anisotrope pour comprendre l'état supraconducteur dans le contexte de la supraconductivité 2-D, qui comprennent les dichalcogénures de métaux de transition (TMD), c'est-à-dire des semi-conducteurs atomiquement minces du type MX 2 où M est un métal de transition et X est un atome de chalcogène (éléments du groupe 16 du tableau périodique). Les récents progrès de l'ingénierie des matériaux ont également montré la possibilité d'exfolier les matériaux en couches de van der Waals (vdW) pour permettre aux supraconducteurs 2D atomiquement minces d'être facilement accessibles. Cependant, de tels flocons d'exfoliation peuvent se dégrader, réduire la qualité de l'échantillon. Devarakonda et al. donc utilisé 2H-NbS de haute qualité 2 Des monocouches (disulfure de 2H-niobium) dans ce travail avec un supraconducteur 2-D à limite propre présentant une transition BKT (Berezinskii-Kosterlitz-Thouless). Ils ont ensuite synthétisé un matériau monocristallin; Ba 6 Nb 11 S 28 utilisant du H-NbS de haute qualité 2 monocouches et Ba 3 NbS 5 couches de blocs, au sein de laquelle les couches TMD étaient fortement découplées.

Développement et caractérisation du layer-cake

Devarakonda et al. donc fait le matériau résultant (Ba 6 Nb 11 S 28 ) aussi pure que possible pour étudier la physique pure de la supraconductivité 2-D. La découverte de la supraconductivité propre 2-D dans Ba 6 Nb 11 S 28 ouvrira la porte à une meilleure compréhension de la supraconductivité 2D associée aux phénomènes quantiques. Le matériau contenait des couches alternées du supraconducteur 2-D NbS 2 et une couche d'espacement électroniquement inintéressante Ba 3 NbS 5 – un peu comme un gâteau en couches avec une fine couche de chocolat (c'est-à-dire NbS 2 ) entre des couches de gâteau plus épaisses (c'est-à-dire la couche d'espacement). La stratification a protégé le NbS 2 couche de fissuration ou d'exposition à l'air/à l'humidité pour permettre une supraconductivité 2-D beaucoup plus propre. L'équipe a utilisé la microscopie électronique à transmission à champ sombre annulaire à angle élevé (HAADF-STEM) pour étudier la structure résultante. Le matériau présentait un supraconducteur 2-D à limite propre présentant une transition BKT à T BKT =0,82 K et oscillations quantiques 2-D importantes de Shubnikov-de Haas (SdH) ; une manifestation macroscopique de la nature quantique inhérente de la matière.

Supraconductivité 2D et rupture de limite de Pauli dans Ba6Nb11S28. (A) Caractéristiques courant-tension I(V) de T =0,95 K à T =0,28 K. L'encart montre l'évolution de la loi de puissance V º I a; la ligne horizontale marque a =3. (B) Résistivité longitudinale en fonction du champ m0H pour différentes valeurs de q. Les courbes sont décalées verticalement de 20 mW·cm pour plus de clarté (lignes horizontales). Les graduations verticales séparent les régions mesurées avec un courant faible (7 mA) et un courant plus élevé (70 mA) pour éviter la suppression de la supraconductivité par chauffage Joule. Pour q =80° et 90°, seul un courant faible est utilisé. (C) Dépendance angulaire du champ critique supérieur m0Hc2 mesuré à T =0,28 K avec des ajustements au modèle 2D-Tinkham, calculé en utilisant des données dans la plage |q – 90°| <1,7° (courbe violette) et |q – 90°|> 1,7° (courbe noire), respectivement. L'encart montre une vue détaillée près de q =90° où une amélioration de m0Hc2(q) est observée à travers la limite de Pauli m0HP. Crédit :Sciences, doi:10.1126/science.aaz6643

Propriétés du nouveau matériau quantique

A l'aide de mesures de magnétotransport, Devarakonda et al. a montré la propreté du matériau et d'autres preuves de l'architecture électronique 2-D. Les résultats étaient qualitativement différents du matériau de départ 2H-NbS 2 , qui a maintenu des surfaces de Fermi déformées et elliptiques dans sa structure électronique. Bien que les oscillations quantiques n'aient pas encore été signalées dans le 2H-NbS 2 , l'équipe a noté l'apparition d'oscillations quantiques de Shubnikov-de Haas (SdH) dans Ba 6 Nb 11 S 28 dans des champs magnétiques compris entre 2 et 3 Tesla pour indiquer les mobilités quantiques. Les scientifiques ont analysé les oscillations quantiques et la magnétorésistance à faible champ de Ba 6 Nb 11 S 28 , qui a placé les matériaux dans la limite propre de la supraconductivité.

Des couches alternées de NbS2 supraconducteur et un espaceur Ba3NbS5 permettent une grande mobilité électronique dans le NbS2 tout en le protégeant. Cela crée une structure semblable à un « gâteau en couches » qui permet un comportement supraconducteur propre. Crédit :Sciences, doi:10.1126/science.abd4225

Ils ont également enregistré les caractéristiques courant/tension du matériau à travers la transition supraconductrice. En plus de la transition BKT observée, le travail a montré l'apparence d'un propre, État supraconducteur 2D à stabilité améliorée, dont Devarakonda et al. crédité à la haute pureté du NbS 2 couches en Ba 6 Nb 11 S 28 . Depuis la masse Ba 6 Nb 11 S 28 matériel déjà affiché physique 2D, l'équipe de recherche a initialement proposé le processus désormais connu d'insertion des couches d'espacement au lieu de fabriquer des nanodispositifs exfoliés détaillés dans des travaux antérieurs. L'équipe a également noté la possibilité de fonctionnaliser la couche d'espacement en introduisant des constituants magnétiques. De cette façon, le grand libre parcours moyen électronique (distance moyenne parcourue par une particule en mouvement) de Ba 6 Nb 11 S 28 a permis à la supraconductivité à limite propre de réaliser potentiellement des phases non conventionnelles comme prédit dans les supraconducteurs monocouches.

Supraconductivité 2D et Ba6Nb11S28. (A) Etude des matériaux supraconducteurs caractérisés par l'anisotropie du champ critique supérieur Hc c2=Hab c2 et le rapport de la longueur de cohérence de Pippard au libre parcours moyen. La limite entre les limites propre et sale est représentée par une ligne horizontale. (B) Structure cristalline de H-MX2 projetée sur le plan ab. L'absence de symétrie d'inversion est illustrée par les partenaires d'inversion chalcogène (X) manquants (cercles en pointillés). (C) La symétrie du miroir plan ab dans la monocouche H-MX2 peut être rompue par des substrats ou des champs locaux (∇U). (D) Représentation de la texture spin-orbite de l'espace de quantité de mouvement pour la monocouche H-MX2 avec divers degrés de couplage Ising et Rashba. (E) Image HAADF-STEM de Ba6Nb11S28 prise le long de l'axe (barre d'échelle, 1 nm). Une simulation de la structure du modèle est superposée avec une cellule unitaire ombrée en vert. Ba, Nb, et les atomes S sont représentés en bleu, rouge, et des cercles jaunes, respectivement. (F) Résistivité en fonction de la température dans Ba6Nb11S28 montrant la transition supraconductrice. Encart supérieur :vue agrandie de la transition) et susceptibilité magnétique 4pcc mesurée avec un refroidissement à champ nul (ZFC) et un refroidissement à champ (FC). Encart inférieur :couche H-NbS2 et couches de blocs Ba3NbS5 à rupture de symétrie miroir. Crédit :Sciences, doi:10.1126/science.aaz6643

Impact du nouveau matériau quantique

La beauté inhérente du matériau réside dans la croissance naturelle de l'hétérostructure, qui ressemble beaucoup à un gâteau en couches naturellement séparé au cours du processus de synthèse. Cela a permis au processus de synthèse d'être beaucoup moins laborieux par rapport à l'ajout manuel de chaque couche. La facilité de synthèse peut permettre de développer différents types de matériaux stratifiés où les couches 2D sont naturellement protégées par leur environnement. La technique peut produire différents types de matériaux quantiques en dehors des supraconducteurs, y compris les isolants topologiques adaptés à l'informatique quantique. La nouvelle découverte permet un plus simple, approche alternative au processus existant de fabrication de nanodispositifs exfoliés. A. Devarakonda et ses collègues envisagent d'étendre cette stratégie à d'autres matériaux au-delà de la Ba 6 Nb 11 S 28 détaillé ici.