超電導物質の中では、電流は抵抗なく流れます。この現象を実際に応用した例は数多くあります。しかし、多くの基本的な疑問はまだ答えられていないままです。フローニンゲン大学の複合材料デバイス物理学グループの責任者であるジャスティン・イェ准教授は、二硫化モリブデンの二重層における超伝導を研究し、新しい超伝導状態を発見しました。この結果は、11月4日にNature Nanotechnology誌に掲載された。

超電導性は、たとえば厚さがわずか 3 原子の二硫化モリブデンや二硫化タングステンの単層結晶で示されています。「両方の単層には、内部磁場が超伝導状態を外部磁場から保護する特殊なタイプの超伝導が存在します」とイェ氏は説明する。通常の超伝導は大きな外部磁場が加わると消滅してしまいますが、このイジング超伝導は強く守られます。ヨーロッパで最も強い37テスラの静磁場の中でも、二硫化タングステンの超電導性は変化を示さない。ただし、このような強力な保護があるのは素晴らしいことですが、次の課題は、電界を印加することによってこの保護効果を制御する方法を見つけることです。

新しい超伝導状態

Ye と彼の共同研究者らは、二硫化モリブデンの二重層を研究しました。「その構成では、2 つの層間の相互作用によって新しい超伝導状態が生成されます。」Ye は、両面にイオン液体を備えた浮遊二重層を作成し、二重層全体に電場を生成するために使用できます。「個々の単層では、そのような場は非対称となり、一方の側には正イオンが、もう一方の側には負の電荷が誘導されます。しかし、二重層では、両方の単層に同じ量の電荷を誘導することができ、対称的なシステムを作り出すことができます」とイェ氏は説明します。このようにして生成された電場は、超伝導のオンとオフを切り替えるために使用できます。これは、イオン液体を介してゲート制御できる超伝導トランジスタが作成されたことを意味します。

二重層では、外部磁場に対するイジング保護がなくなります。「これは、2 つの層間の相互作用の変化によって起こります。」ただし、電場によって保護を回復できます。「保護のレベルは、デバイスのゲートをどれだけ強くするかによって決まります。」

クーパーペア

超電導トランジスタの作成とは別に、葉氏らは別の興味深い観察を行った。1964 年、FFLO 状態と呼ばれる特別な超伝導状態が存在すると予測されました (名前は、それを予測した科学者、フルデ、フェレル、ラーキン、オフチニコフにちなんで命名されました)。超伝導では、電子はペアになって反対方向に移動します。これらのクーパーペアは同じ速度で移動するため、合計の運動量はゼロになります。しかし、FFLO 状態では、わずかな速度差があるため、運動量はゼロではありません。これまでのところ、この状態が実験で適切に研究されたことはありません。

「デバイスで FFLO 状態を準備するための前提条件をほぼすべて満たしました」と Ye 氏は言います。「しかし、この状態は非常に壊れやすく、材料の表面の汚染によって大きな影響を受けます。したがって、よりクリーンなサンプルを使用して実験を繰り返す必要があります。」

二硫化モリブデンの懸濁二重層により、Ye 氏と共同研究者らは、いくつかの特殊な超伝導状態を研究するために必要なすべての材料を手に入れました。「これはまさに基礎科学であり、私たちに概念上の変化をもたらす可能性があります。」