Diagrama de fase supercondutor de Ba6Nb11S28. (A) Excesso de condutividade em relação ao estado normal ds (m0H, T) para ângulos de campo q perto do plano ab (q =90 °). (B) Diferença entre ds (m0H, T) para q =90 ° e q =84 °. O eixo da temperatura é normalizado para TBKT. A curva verde representa o modelo 2D Ginzburg-Landau (2D-GL) de m0Hc2. (C) Dependência angular de m0Hc2 em T / TBKT =0,3 (laranja) e m0Hc2 em T / TBKT =0,8 (verde, ampliado por um fator de 3). Inserção:Representação esquemática de m0Hc2 em um sistema 2D limpo onde uma melhoria é esperada dentro de uma região crítica | q - 90 ° |
A ciência dos materiais teve um profundo impacto histórico na humanidade desde o advento das idades do Ferro e do Bronze. Atualmente, os cientistas de materiais estão intrigados com uma classe de materiais conhecida como materiais quânticos, cujo comportamento eletrônico ou magnético não pode ser explicado pela física clássica. As descobertas no campo dos materiais quânticos são seguidas por uma onda de pesquisas para descobrir novas informações físicas ou quânticas na ciência. Em um novo relatório agora publicado em Ciência , A. Devarakonda e uma equipe de cientistas em física do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, A Harvard University e o Riken Center for Emergent Matter Science nos EUA e no Japão relataram a síntese de um novo material quântico altamente interessante.
A construção pode permitir que os físicos estudem efeitos quânticos obscuros que até agora permaneceram desconhecidos. Neste estudo, a equipe desenvolveu uma superrede em massa contendo o dichalcogeneto de metal de transição (TMD) supercondutor 2H-nióbio dissulfeto (2H-NbS 2, Fase 2H) para gerar bidimensional aprimorado (2-D), supercondutividade inorgânica de alta qualidade eletrônica e limite de limpeza.
Supercondutividade
A supercondutividade pode, hipoteticamente, permitir aplicações de alta velocidade sem perda de potência e contribuir para o desenvolvimento de conceitos como trens expressos em levitação. Os pesquisadores podem realizar parcialmente tais aplicações no momento, usando materiais que superconduzem em temperaturas altas o suficiente e usam materiais 2-D para simplificar os problemas, enquanto destaca a física por trás da supercondutividade. Os primeiros trabalhos experimentais com filmes de alumínio granular (Al) e bismuto amorfo (Bi) mostraram supercondutividade 2-D controlando precisamente a espessura da camada supercondutora, que foram posteriormente usados em estudos inovadores. Isso inclui a transição Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT); um exemplo inicial que descreve a transição topológica, pelo qual o físico recebeu o prêmio Nobel de física em 2016.
Oscilações quânticas e estrutura eletrônica de Ba6Nb11S28. (A) Magnetoresistência em função do campo perpendicular à temperatura T =0,39 K para diferentes ângulos de rotação de campo q (geometria definida como mostrado no detalhe). As curvas são deslocadas verticalmente em 150% do MR para maior clareza. (B e C) Faixa de baixa frequência (B) e faixa completa (C) da amplitude de oscilação quântica FFT como uma função da frequência perpendicular F cos (q). As amplitudes FFT para os bolsos de alta frequência são multiplicadas por 25. (D) Cálculo DFT de superfícies de Fermi de monocamada H-NbS2 incluindo acoplamento spin-órbita (17). (E) Representação do esquema de dobramento de zona envolvendo a superestrutura 3 × 3 imposta pela camada de bloco Ba3NbS5, onde a zona de Brillouin reduzida é delimitada pela linha em negrito. (F) Estrutura eletrônica de monocamada dobrada por zona H-NbS2 com áreas de seção transversal de superfície de Fermi observadas experimentalmente desenhadas em escala como círculos sólidos. A caixa preta corresponde a 0,01 Å – 2. Crédito:Ciência, doi:10.1126 / science.aaz6643
Em paralelo, os cientistas também estudaram a supercondutividade anisotrópica em massa para compreender o estado supercondutor no contexto da supercondutividade 2-D, que incluem dichalcogenetos de metais de transição (TMDs), ou seja, semicondutores atomicamente finos do tipo MX 2 onde M é um metal de transição e X é um átomo de calcogênio (grupo de 16 elementos na tabela periódica). Avanços recentes na engenharia de materiais também mostraram a possibilidade de esfoliar materiais em camadas de van der Waals (vdW) para permitir que supercondutores 2-D atomicamente finos sejam facilmente acessíveis. Contudo, tais flocos de esfoliação podem degradar, reduzindo a qualidade da amostra. Devarakonda et al. portanto, usou 2H-NbS de alta qualidade 2 Monocamadas (dissulfeto de 2H-nióbio) neste trabalho com um supercondutor 2-D de limite limpo exibindo uma transição BKT (Berezinskii-Kosterlitz-Thouless). Eles então sintetizaram um material de cristal único; BA 6 Nb 11 S 28 usando H-NbS de alta qualidade 2 monocamadas e Ba 3 NbS 5 camadas de blocos, dentro do qual as camadas TMD foram fortemente desacopladas.
Desenvolvendo e caracterizando o bolo de camadas
Devarakonda et al. portanto, fez o material resultante (Ba 6 Nb 11 S 28 ) o mais puro possível para estudar a física pura da supercondutividade 2-D. A descoberta da supercondutividade 2-D limpa em Ba 6 Nb 11 S 28 irá abrir a porta para entender melhor a supercondutividade 2-D associada aos fenômenos quânticos. O material continha camadas alternadas do supercondutor 2-D NbS 2 e uma camada espaçadora eletronicamente desinteressante Ba 3 NbS 5 - muito parecido com um bolo em camadas com uma fina camada de chocolate (ou seja, NbS 2 ) entre camadas mais espessas de bolo (ou seja, a camada espaçadora). A estratificação protegeu o NbS 2 camada de rachaduras ou exposição ao ar / umidade para permitir uma supercondutividade 2-D muito mais limpa. A equipe usou microscopia eletrônica de transmissão de varredura de campo escuro anular de alto ângulo (HAADF-STEM) para investigar a estrutura resultante. O material exibiu um supercondutor 2-D de limite limpo exibindo uma transição BKT em T BKT =0,82 K e oscilações quânticas proeminentes 2-D Shubnikov-de Haas (SdH); uma manifestação macroscópica da natureza quântica inerente da matéria.
Supercondutividade 2D e quebra de limite de Pauli em Ba6Nb11S28. (A) Características de corrente-tensão I (V) de T =0,95 K a T =0,28 K. O detalhe mostra a evolução da lei de potência V º I a; a linha horizontal marca a =3. (B) Resistividade longitudinal em função do campo m0H para diferentes valores de q. As curvas são deslocadas verticalmente em 20 mW · cm para maior clareza (linhas horizontais). As marcações verticais separam regiões medidas com corrente baixa (7 mA) e corrente mais alta (70 mA) para evitar a supressão da supercondutividade pelo aquecimento Joule. Para q =80 ° e 90 °, apenas baixa corrente é usada. (C) Dependência angular do campo crítico superior m0Hc2 medido em T =0,28 K com ajustes para o modelo 2D-Tinkham, calculado usando dados no intervalo | q - 90 ° | <1,7 ° (curva roxa) e | q - 90 ° |> 1,7 ° (curva preta), respectivamente. A inserção mostra uma visão detalhada perto de q =90 °, onde um aumento de m0Hc2 (q) é observado ao longo do limite de Pauli m0HP. Crédito:Ciência, doi:10.1126 / science.aaz6643 
Usando medições de magnetotransporte, Devarakonda et al. mostrou a limpeza do material e mais evidências para a arquitetura eletrônica 2-D. Os resultados foram qualitativamente diferentes do material de partida 2H-NbS 2 , que manteve superfícies de Fermi empenadas e elípticas em sua estrutura eletrônica. Embora as oscilações quânticas ainda não tenham sido relatadas em 2H-NbS 2 , a equipe observou o início das oscilações quânticas de Shubnikov-de Haas (SdH) em Ba 6 Nb 11 S 28 dentro de campos magnéticos entre 2 e 3 Tesla para indicar mobilidades quânticas. Os cientistas analisaram as oscilações quânticas e a magnetorresistência de baixo campo do Ba. 6 Nb 11 S 28 , que colocou os materiais no limite limpo de supercondutividade.
Camadas alternadas de NbS2 supercondutor e um espaçador Ba3NbS5 permitem alta mobilidade de elétrons no NbS2 ao mesmo tempo em que o protegem. Isso cria um “bolo de camadas” - como uma estrutura que permite um comportamento supercondutor limpo. Crédito:Ciência, doi:10.1126 / science.abd4225
Eles também registraram as características de corrente / tensão do material durante a transição supercondutora. Além da transição BKT observada, o trabalho mostrou a aparência de um limpo, Estado supercondutor 2-D com estabilidade aprimorada, qual Devarakonda et al. creditado à alta pureza do NbS 2 camadas em Ba 6 Nb 11 S 28 . Desde o Ba a granel 6 Nb 11 S 28 material já exibia física 2-D, a equipe de pesquisa propôs originalmente o processo agora conhecido de inserir as camadas espaçadoras em vez de fabricar nanodispositivos esfoliados detalhados em trabalhos anteriores. A equipe também observou o escopo de funcionalizar a camada espaçadora com a introdução de constituintes magnéticos. Desta maneira, o grande caminho livre médio eletrônico (distância média percorrida por uma partícula em movimento) de Ba 6 Nb 11 S 28 permitiu a supercondutividade de limite de limpeza para realizar fases não convencionais, conforme previsto em supercondutores de monocamada.
Supercondutividade 2D e Ba6Nb11S28. (A) Levantamento de materiais supercondutores caracterizados por anisotropia do campo crítico superior Hc c2 =Hab c2 e razão do comprimento de coerência de Pippard para o caminho livre médio. O limite entre os limites limpos e sujos é mostrado como uma linha horizontal. (B) Estrutura cristalina de H-MX2 projetada no plano ab. A falta de simetria de inversão é ilustrada pelos parceiros de inversão do calcogênio (X) ausentes (círculos tracejados). (C) A simetria do espelho do plano ab na monocamada H-MX2 pode ser quebrada por substratos ou campos locais (∇U). (D) Representação da textura spin-órbita do espaço de momento para monocamada H-MX2 com vários graus de acoplamento de Ising e Rashba. (E) imagem HAADF-STEM de Ba6Nb11S28 tirada ao longo do eixo (barra de escala, 1 nm). Uma simulação da estrutura do modelo é sobreposta com uma célula unitária sombreada em verde. BA, Nb, e átomos de S são representados em azul, vermelho, e círculos amarelos, respectivamente. (F) Resistividade em função da temperatura em Ba6Nb11S28 mostrando a transição supercondutora. Inserção superior:visão ampliada da transição) e suscetibilidade magnética 4pcc medida com resfriamento de campo zero (ZFC) e resfriamento de campo (FC). Inserção inferior:camada H-NbS2 e camadas de bloco Ba3NbS5 de quebra de simetria de espelho. Crédito:Ciência, doi:10.1126 / science.aaz6643
Impacto do novo material quântico
A beleza inerente do material permanece no crescimento natural da heteroestrutura, que é muito parecido com um bolo de camadas naturalmente separado durante o processo de síntese. Isso permitiu que o processo sintético fosse muito menos trabalhoso em comparação com a adição manual de cada camada. A facilidade de síntese pode permitir que diferentes tipos de materiais em camadas sejam desenvolvidos onde as camadas 2-D são naturalmente protegidas por seu ambiente. A técnica pode produzir diferentes tipos de materiais quânticos além de supercondutores, incluindo isoladores topológicos adequados para computação quântica. A nova descoberta permite uma forma mais simples, abordagem alternativa para o processo existente de fabricação de nanodispositivos esfoliados. A. Devarakonda e colegas prevêem estender esta estratégia a outros materiais além do Ba 6 Nb 11 S 28 detalhado aqui.
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