L’imagerie magnétique révèle une propriété cruciale du supraconducteur 2D

En utilisant l’imagerie magnétique de pointe, une collaboration dirigée par Cornell a pour la première fois caractérisé une propriété clé de l’état supraconducteur d’une classe de matériaux atomiquement minces qui sont trop difficiles à mesurer en raison de leur taille minuscule.

Le journal du groupe, “Réponse superfluide d’un supraconducteur van der Waals à grille atomiquement mince», publié le 12 avril dans Nature Communications. L’auteur principal est le doctorant Alexander Jarjour.

Le projet a été mené par Katja Nowackprofesseur adjoint de physique au Collège des arts et des sciences et auteur principal de l’article, dont laboratoire étudie les phénomènes émergents et l’ordre dans les matériaux quantiques via une gamme de sondes à balayage. Le dispositif supraconducteur d’interférence quantique du groupe, ou SQUID, est particulièrement apte à fonctionner à basse température et dans de petits champs magnétiques.

Les chercheurs ont appliqué leur SQUID – l’un des rares aux États-Unis – au disulfure de molybdène composé inorganique, connu sous le nom de matériau de van der Waals. Alors que les liaisons chimiques sont généralement considérées comme la superglue de la physique de la matière condensée, les atomes peuvent également être maintenus ensemble par la polarisation électrique des forces de van der Waals, qui sont comparativement plus faibles mais ont leur propre avantage unique. Les matériaux de Van der Waals, tels que le graphène, peuvent être exfoliés et leurs flocons assemblés en couches atomiquement minces.

“La beauté des matériaux de Van der Waals est qu’il existe une vaste gamme de différents types de systèmes physiques, comme les supraconducteurs et les isolants topologiques, que vous pouvez créer dans ces flocons très fins à l’échelle du micron”, a déclaré Jarjour. “Le mauvais côté est que les gens au cours des dernières décennies ont inventé des outils d’analyse pour essayer de comprendre ce qui se passe à l’intérieur des matériaux en vrac, c’est-à-dire de gros morceaux de choses, et ces outils, plus ou moins sans exception, ne fonctionnent pas pour van der Les matériaux Waals parce qu’ils sont trop fins et trop petits.

La méthode typique pour sonder les supraconducteurs de van der Waals consiste à mesurer le transport électrique, ce qui peut montrer qu’une transition de phase vers une résistance nulle s’est produite lorsque la température critique est atteinte. Mais après cela, selon Nowack, « ​​essentiellement, vous devenez aveugle », car la méthode ne fournit aucune information sur le nombre d’électrons qui participent – ​​et de quelle manière – dans l’état supraconducteur.

L’équipe a amélioré cette approche en enduisant par rotation leur SQUID d’une couche de liquide ionique d’un micron d’épaisseur et en la positionnant aussi près que possible de l’échantillon fragile sans l’endommager.

Le SQUID a révélé que le matériau expulsait le champ magnétique de l’appareil.

“Voir l’expulsion du champ magnétique, en combinaison avec une très faible résistance, est une signature très claire que quelque chose est un supraconducteur”, a déclaré Jarjour. “Nous avons posé un nouveau jalon pour quelqu’un qui trouve un nouveau supraconducteur van der Waals et qui veut vraiment prouver qu’il s’agit d’un supraconducteur.”

Tout aussi important, l’expulsion a fourni de nouvelles informations sur le transport électrique dans les matériaux de van der Waals.

“La façon dont le supraconducteur expulse le champ magnétique nous donne des informations sur le nombre d’électrons qui participent”, a déclaré Jarjour. «Nous avons mesuré cela pour la première fois dans un supraconducteur de van der Waals atomiquement mince, et nous avons découvert qu’il y a en fait beaucoup d’électrons qui ne participent pas à l’état supraconducteur. Nous pensons que nous avons un cas raisonnable, basé sur les données, c’est parce qu’il y a un désordre électronique dans ces échantillons.

Les résultats montrent également comment les supraconducteurs 2D diffèrent de leurs parents 3D plus volumineux. Dans certains appareils, les chercheurs ont observé des signatures d’une transition de phase Berezinskii-Kosterlitz-Thouless, qui est spécifique aux matériaux 2D, alors que dans d’autres, ils ont trouvé une réponse superfluide élargie.

“Je suis ravi que nous puissions utiliser cet outil maintenant et l’appliquer à cette grande classe de supraconducteurs vraiment fascinants, qui sont un terrain de jeu riche en physique de la matière condensée pour réaliser des phénomènes supraconducteurs extraordinaires”, a déclaré Nowack.

Les co-auteurs incluent le doctorant GM Ferguson, MA ’18; Brian Schaefer, Ph.D. ’21; l’ancien chercheur postdoctoral Menyoung Lee ; Yen Lee Loh de l’Université du Dakota du Nord ; et Nandini Trivedi de l’Ohio State University.

La recherche a été financée par la National Science Foundation et le Centre Cornell pour la recherche sur les matériauxqui est pris en charge par le programme MRSEC de la NSF.