Dans les années récentes, de nombreux scientifiques des matériaux dans le monde ont étudié le potentiel des matériaux bidimensionnels (2D), qui sont composés d'une seule couche ou de quelques couches ultrafines d'atomes et ont des propriétés physiques uniques, propriétés électriques et optiques.

Des chercheurs de l'Université du Minnesota et de l'Université Cornell ont récemment mené une étude sur la supraconductivité du diséléniure de niobium à quelques couches (NbSe 2 ), un métal de transition en couches qui présente un couplage spin-orbite intrinsèque unique de type Ising. Leur papier, Publié dans Physique de la nature , montre que l'état supraconducteur du NbSe à quelques couches 2 a une double symétrie, qui diffère grandement de la structure de ses cristaux.

« Il y a un énorme intérêt pour les matériaux bidimensionnels, comme le NbSe 2 , car lorsqu'ils sont préparés à n'avoir que quelques couches atomiques d'épaisseur, ils ont souvent de nouvelles propriétés, qui ne sont pas présents dans des échantillons épais du même matériau, " Vlad S. Pribiag, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Par exemple, NbSe 2 est un supraconducteur sous sa forme massive, mais lorsque des échantillons à quelques couches sont préparés, la symétrie cristalline change, rendant la supraconductivité beaucoup plus résistante aux champs magnétiques appliqués. Cela a été découvert par certains des co-auteurs il y a quelques années et a servi d'impulsion à notre travail."

Autrefois, les chercheurs ont prédit que le NbSe 2 pourrait être un supraconducteur topologique. Les supraconducteurs topologiques sont une classe unique de supraconducteurs avec des propriétés topologiques non négligeables. Ces supraconducteurs uniques ont suscité un vif intérêt, car ils peuvent empêcher les bits quantiques de perdre les informations qu'ils stockent ; Donc, ils pourraient permettre la création de nouveaux ordinateurs quantiques protégés topologiquement.

Les travaux récents de Pribiag et de ses collègues s'inspirent d'études antérieures explorant la possibilité que le NbSe 2 est un supraconducteur topologique. Dans leurs expériences, les chercheurs ont spécifiquement sondé la supraconductivité topologique du NbSe 2 c'est seulement quelques couches atomiques d'épaisseur.

"Nous avons constaté que l'état supraconducteur de quelques couches de NbSe 2 a une double symétrie, qui est remarquablement distincte de la triple symétrie du cristal (c'est-à-dire, le cristal a le même aspect s'il est tourné de 120 degrés, mais les propriétés de l'état supraconducteur se répètent lors d'une rotation de 180 degrés), " a expliqué Pribiag. " Cette double symétrie est cohérente avec la présence de deux états supraconducteurs concurrents qui sont très proches en énergie :l'un d'entre eux pourrait être lié à la supraconductivité topologique - et nous travaillons actuellement sur des expériences de suivi qui visent à déterminez cela."

Dans leurs expériences, Pribiag et ses collègues ont découvert que l'anisotropie (c'est-à-dire une propriété qui permet aux matériaux de modifier leurs caractéristiques physiques lorsqu'ils sont mesurés le long d'axes cristallins dans différentes directions) est apparu alors qu'ils faisaient tourner un champ magnétique sur le plan de leur échantillon. Les chercheurs ont approfondi cette observation en utilisant deux types d'échantillons différents.

Dans un type d'échantillon, ils ont mesuré le champ critique (c'est-à-dire, le champ auquel la supraconductivité disparaît). Le deuxième type d'échantillon, étudié par l'équipe de l'Université Cornell, avait une fine couche isolante entre le NbSe 2 et un matériau magnétique, qui leur a permis de creuser dans le NbSe 2 . Les deux séries de mesures qu'ils ont recueillies ont toutes deux montré une anisotropie double.

"Les atomes dans le NbSe 2 sont alignés selon un motif triangulaire périodique et, par conséquent, les propriétés physiques à l'intérieur devraient présenter une symétrie de rotation triple (c'est-à-dire, la rotation du système ou de l'environnement autour de 120 degrés devrait entraîner des propriétés physiques indiscernables de celles d'avant la rotation), " Ke Wang, un autre chercheur impliqué dans l'étude, dit Phys.org. "Toutefois, nous avons plutôt observé une double symétrie rotationnelle de l'état supraconducteur dans le NbSe à quelques couches 2 sous des champs magnétiques externes dans le plan, contrairement à la triple symétrie du treillis."

Selon la théorie de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS), une théorie physique bien établie qui explique la supraconductivité, deux électrons peuvent s'apparier pour former une paire dite bosonique (c'est-à-dire, paire de tonnelier). Ces paires contribuent alors à la formation d'un superfluide électronique sans dissipation, ce qui conduit à la supraconductivité.

En couche épaisse, NbSe tridimensionnel (3D) 2 , les mécanismes d'appariement décrits par la théorie BCS présentent une instabilité d'onde s conventionnelle. D'autre part, quand NbSe 2 approche les limites 2D, un mécanisme d'appariement non conventionnel impliquant des électrons d'onde d ou p peut se produire en présence d'un fort couplage spin-orbite.

"Dans nos échantillons à quelques couches qui comblent les limites 2D et 3D, les deux instabilités d'appariement ci-dessus se mélangent et se concurrencent, et conduire à la supraconductivité symétrique 2 fois que nous avons observée, " expliqua Wang.

Pribiag, Wang et leurs collègues ont été les premiers à rassembler des preuves claires du mécanisme d'appariement non conventionnel qui se produit dans le NbSe 2D 2 avec quelques couches d'atomes. En plus d'élargir la compréhension actuelle du NbSe 2D 2 et ses propriétés, les résultats qu'ils ont recueillis soulèvent des questions fondamentales sur l'origine des interactions d'appariement inhabituelles qu'ils ont observées.

"Nos recherches futures se concentreront sur la réponse à de nombreuses questions fondamentales sur les mécanismes d'appariement exotiques qui ont conduit à notre récente découverte, " a dit Wang. " Par exemple, est l'anisotropie 2 fois le résultat de la supraconductivité nématique spontanée, ou un fort mélange de gap déclenché par un petit champ de rupture de symétrie, comme la souche? La supraconductivité topologique joue-t-elle un rôle ? Guidé par nos collaborateurs théoriques, nous étudierons des échantillons d'épaisseurs et de contraintes atomiques variables qui nous permettront de contrôler la compétition entre les différents paramètres d'ordre."

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