Fizycy z Uniwersytetu Princeton przeprowadzili serię eksperymentów, których rezultaty wykraczają poza obecne teorie opisujące zjawisko nadprzewodnictwa. Rzecz dotyczy właściwości izolatora w postaci materiału 2D, który pod wpływem zwiększenia zagęszczenia elektronów, przechodzi przemianę fazową, nieoczekiwanie gubiąc cały opór elektryczny.
Zespół kierowany przez Sanfenga Wu skupił swoje wysiłki na ditellurku wolframu (WTe2), sprowadzonym do postaci krystalicznego plastra o grubości nieprzekraczającej 3 atomów. Tego typu struktury nazywa się często monowarstwami lub materiałami 2D i traktowane są jako odrębny, unikatowy stan materii wykazujących oryginalne właściwości fizyczne. Uporządkowanie obecnej wiedzy w tym temacie zawdzięczamy trzem uczonym – Vadimowi Berezinskiemu, Michaelowi Kosterlitzowi i Davidowi Thoulessowi – uhonorowanym zresztą Nagrodą Nobla za “teoretyczne odkrycia w dziedzinie topologicznych przejść fazowych i faz materii” w roku 2016 (tzn. uhonorowani zostali dwaj ostatni, Berezinski zmarł w 1980 roku).
Ważnym osiągnięciem teorii BKT było potwierdzenie, że materiały 2D w ogóle mogą stanowić nadprzewodnik. Wcześniej uważano, że spontaniczne fluktuacje kwantowe, przybierające w tym przypadku postać mikroskopijnych wirów pola magnetycznego, powinny blokować nieskrępowany przepływ prądu. Tak nie jest, a ekstremalnie niskie temperatury mogą zniwelować opór elektryczny w materiałach dwuwymiarowych (przejście BKT), podobnie jak w tych trójwymiarowych. Dopiero wyższa temperatura uruchamia masowe powstawanie wirów, natychmiast niszczących stan nadprzewodnictwa.
Naukowcy z Princeton zadali sobie pytanie, czy tego typu przejścia w płaskich strukturach mogą zachodzić tylko na skutek zmian temperatury? Czy dałoby się stworzyć coś na kształt przełącznika, zmuszającego materiał do przeskakiwania między stanami nadprzewodnictwa i rezystancji? Okazuje się, że i owszem.
Do eksperymentu wykorzystano związek WTe2, co do zasady pozostający silnym izolatorem, który schłodzono do temperatury poniżej 50 milikelwinów (-273,10 stopni Celsjusza). Półmetal nawet w tych warunkach zachowywał swoje pierwotne właściwości, do momentu wprowadzenia do układu dodatkowych elektronów – kiedy to nagle przeskakiwał w stan nadprzewodnictwa. Brzmi to może trochę dziwnie, ale de facto, przez potraktowanie izolatora prądem o określonym napięciu, jego właściwości przewodzące ulegały kompletnemu odwróceniu. Naukowcy odkryli, że mogą w ten sposób precyzyjnie włączać i wyłączać nadprzewodnictwo, nie zmieniając temperatury. Ich zdaniem to dowód na to, że gęstość elektronów w sieci krystalicznej wpływa na powstawanie wirów kwantowych.
Platforma testowa z ditellurku wolframu może również pomóc w lepszym zrozumieniu zachowań samych wirów. Fizycy stworzyli niewielki gradient temperatury, sprawiając, że jeden kraniec monowarstwy był minimalnie cieplejszy od drugiego. W tych warunkach wiry zaczynały dryfować ku chłodniejszej krawędzi, tworząc wykrywalny sygnał napięciowy (zjawisko analogiczne do tunelowania Josephsona, obserwowanego na granicy dwóch nadprzewodników przedzielonych warstwą izolatora). Pomiary tego efektu pozwoliły ustalić m.in., że wiry kwantowe nagle giną przy określonej gęstości elektronów, tuż poniżej punktu krytycznego, w którym materiał przechodzi do stanu nadprzewodzącego.
Autorzy publikacji nazwali ten efekt “nagłą śmiercią fluktuacji kwantowych” i przyznają, że nie potrafią go wyjaśnić na gruncie aktualnej wiedzy. Ich praca wydaje się mieć spore znacznie, nie tylko dlatego, że dotyczy zawsze gorącego tematu nadprzewodnictwa, ale również dlatego, że wskazuje na białe plamy w teorii BKT, nagrodzonej przecież nie tak dawno Noblem w dziedzinie fizyki.
Oryginalny artykuł Unconventional superconducting quantum criticality in monolayer WTe2 został opublikowany w Nature.
