Эта фазовая диаграмма изображает наличие шестикратно анизотропного орбитального состояния FFLO, которое занимает существенную часть фазовой диаграммы. В правом верхнем углу схематические иллюстрации демонстрируют пространственную модуляцию сверхпроводящего параметра порядка.
Предоставлено: П. Ван / Гронингенский университет.

Ведущим автором статьи является профессор Джастин Йе, возглавляющий группу физики сложных материалов в Гронингенском университете. Йе и его команда работали над сверхпроводящим состоянием Изинга. Это особое состояние, которое может сопротивляться магнитным полям, что обычно разрушают сверхпроводимость, было описано командой в 2015 году.

В 2019 году они создали устройство, состоящее из двойного слоя дисульфида молибдена, которое могло связывать состояния сверхпроводимости Изинга, находящиеся в двух слоях. Интересно, что устройство, созданное Йе и его командой, позволяет включать и выключать эту защиту с помощью электрического поля, в результате чего получается сверхпроводящий транзистор.

Связанное сверхпроводниковое устройство Изинга проливает свет на давнюю проблему в области сверхпроводимости. В 1964 году четверо ученых (Фулде, Феррелл, Ларкин и Овчинников) предсказали особое сверхпроводящее состояние, которое могло существовать в условиях низкой температуры и сильного магнитного поля, получившее название FFLO-состояние.

В стандартной сверхпроводимости электроны движутся в противоположных направлениях, как куперовские пары. Поскольку они движутся с одинаковой скоростью, эти электроны имеют полный кинетический момент, равный нулю. Однако в состоянии FFLO между электронами в куперовских парах существует небольшая разница скоростей, а это означает, что существует чистый кинетический импульс.

«Это состояние очень неуловимо, и есть лишь несколько статей, утверждающих, что оно существует в нормальных сверхпроводниках», — говорит Е. «Однако ни один из них не является окончательным». Для создания состояния FFLO в обычном сверхпроводнике необходимо сильное магнитное поле. Но роль, которую играет магнитное поле, нуждается в тщательной настройке.

Проще говоря, чтобы магнитное поле играло две роли, нам нужно использовать эффект Зеемана. Это разделяет электроны в куперовских парах в зависимости от направления их спинов (магнитный момент), но не за счет орбитального эффекта — другой роли, которая обычно разрушает сверхпроводимость. «Это деликатное согласование между сверхпроводимостью и внешним магнитным полем», — объясняет Е.

Сверхпроводимость Изинга, которую Йе и его сотрудники представили и опубликовали в журнале Science в 2015 году, подавляет эффект Зеемана. «Отфильтровав ключевой ингредиент, который делает возможным обычный FFLO, мы предоставили достаточно места для магнитного поля, чтобы оно могло играть другую свою роль, а именно орбитальный эффект», — говорит Йе.

«То, что мы продемонстрировали в нашей статье, является четким отпечатком управляемого орбитальным эффектом состояния FFLO в нашем изинговском сверхпроводнике», — объясняет Йе. «Это нетрадиционное состояние FFLO, впервые описанное теоретически в 2017 году». Состояние FFLO в обычных сверхпроводниках требует чрезвычайно низких температур и очень сильного магнитного поля, что затрудняет его создание. Однако в изинговском сверхпроводнике Йе состояние достигается при более слабом магнитном поле и при более высоких температурах.

На самом деле Е впервые наблюдал признаки состояния FFLO в своем сверхпроводящем устройстве на основе дисульфида молибдена в 2019 году. «В то время мы не могли это доказать, потому что образцы были недостаточно хороши», — говорит Е. Однако его докторская степень. С тех пор студент Пухуа Ван успешно создал образцы материала, которые удовлетворяли всем требованиям, чтобы показать, что в куперовских парах действительно существует конечный импульс. «Собственные эксперименты заняли полгода, но анализ результатов добавил еще год», — говорит Е. Ван — первый автор статьи в Nature.

Это новое сверхпроводящее состояние требует дальнейшего изучения. Е говорит: «Об этом можно многое узнать. Например, как кинетический импульс влияет на физические параметры? Изучение этого состояния даст новое понимание сверхпроводимости. И это может позволить нам контролировать это состояние в таких устройствах как транзисторы. . Это наша следующая задача».