18.06.2021 - University of Minnesota

Forscher decken einzigartige Eigenschaften eines vielversprechenden neuen Supraleiters auf

Material könnte in zukünftigen Quantencomputer-Anwendungen eingesetzt werden

Ein internationales Team von Physikern unter der Leitung der University of Minnesota hat entdeckt, dass ein einzigartiges supraleitendes Metall belastbarer ist, wenn es als sehr dünne Schicht verwendet wird. Die Forschung ist der erste Schritt in Richtung eines größeren Ziels, unkonventionelle supraleitende Zustände in Materialien zu verstehen, die in Zukunft möglicherweise im Quantencomputing eingesetzt werden könnten.

An der Zusammenarbeit sind vier Fakultätsmitglieder der School of Physics and Astronomy der University of Minnesota beteiligt - Associate Professor Vlad Pribiag, Professor Rafael Fernandes und die Assistenzprofessoren Fiona Burnell und Ke Wang - sowie Physiker der Cornell University und mehrerer anderer Institutionen.

Niob-Diselenid (NbSe2) ist ein supraleitendes Metall, was bedeutet, dass es Elektrizität leiten oder Elektronen von einem Atom zum anderen transportieren kann, ohne Widerstand. Es ist nicht ungewöhnlich, dass sich Materialien anders verhalten, wenn sie sehr klein sind, aber NbSe2 hat potenziell vorteilhafte Eigenschaften. Die Forscher fanden heraus, dass das Material in 2D-Form (ein sehr dünnes Substrat, das nur wenige Atomlagen dick ist) ein widerstandsfähigerer Supraleiter ist, weil es eine zweifache Symmetrie aufweist, die sich von dickeren Proben desselben Materials stark unterscheidet.

Motiviert durch Fernandes und Burnells theoretische Vorhersage von exotischer Supraleitung in diesem 2D-Material begannen Pribiag und Wang, atomar dünne 2D-supraleitende Bauelemente zu untersuchen.

"Wir erwarteten, dass es ein sechsfaches Rotationsmuster hat, wie eine Schneeflocke." sagte Wang. "Trotz der sechsfachen Struktur zeigte es im Experiment nur ein zweifaches Verhalten."

"Dies war eines der ersten Male, dass [dieses Phänomen] in einem echten Material gesehen wurde", sagte Pribiag.

Die Forscher führten die neu entdeckte zweifache Rotationssymmetrie des supraleitenden Zustands in NbSe2 auf die Vermischung zwischen zwei eng konkurrierenden Arten der Supraleitung zurück, nämlich dem konventionellen s-Wellen-Typ - typisch für Bulk-NbSe2 - und einem unkonventionellen d- oder p-Typ-Mechanismus, der in NbSe2 mit wenigen Schichten auftritt. Die beiden Arten der Supraleitung haben in diesem System sehr ähnliche Energien. Aus diesem Grund interagieren und konkurrieren sie mit einander.

Pribiag und Wang sagten, sie seien später darauf aufmerksam geworden, dass Physiker an der Cornell University die gleiche Physik mit einer anderen experimentellen Technik, nämlich Quanten-Tunnelmessungen, untersuchten. Sie beschlossen, ihre Ergebnisse mit denen der Cornell-Forschung zu kombinieren und eine umfassende Studie zu veröffentlichen.

Burnell, Pribiag und Wang planen, auf diesen ersten Ergebnissen aufzubauen, um die Eigenschaften von atomar dünnem NbSe2 in Kombination mit anderen exotischen 2D-Materialien weiter zu untersuchen, was letztendlich zur Nutzung unkonventioneller supraleitender Zustände, wie der topologischen Supraleitung, zum Bau von Quantencomputern führen könnte.

"Was wir wollen, ist eine komplett flache Schnittstelle auf der atomaren Skala", sagte Pribiag. "Wir glauben, dass dieses System uns eine bessere Plattform bieten kann, um Materialien zu untersuchen, um sie für Quantencomputeranwendungen zu nutzen."

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