Supergeleiders met een hogere temperatuur komen dichter bij de realiteit dankzij een nieuwe onconventionele interface

Een team onderzoekers heeft een unieke interface ontworpen tussen een supergeleider (materiaal dat bij lage temperaturen geen elektrische weerstand vertoont) en een chiraal materiaal. De nieuwe interface creëert een aanzienlijk verbeterd Zeeman-veld - een magnetisch veld dat de spin van elektronen beïnvloedt. De technologie zou de sleutel kunnen zijn voor nieuwe en innovatieve toepassingen op gebieden zoals elektronica, energie en, het allerbelangrijkste, kwantumcomputing.

Het nieuwe supergeleidende materiaal combineert een conventionele supergeleider met een materiaal met een sterke spin-baankoppeling. Het is aangetoond dat deze interactie, die ontstaat door de koppeling tussen de spin van een elektron en zijn baanbeweging, de eigenschappen van supergeleidend materiaal sterk beïnvloedt. De koppeling induceert spinpolarisatie aan het supergeleideroppervlak en genereert quasideeltjestoestanden van magnetische oorsprong.

Quasideeltjestoestanden zijn toestanden die specifiek beïnvloed worden door magnetische velden. Deze toestanden kunnen ontstaan in materialen waar de interacties tussen elektronen en magnetische velden sterk zijn. De effecten zijn gekoppeld aan het concept van chiraliteit-geïnduceerde spinselectiviteit (CISS), waarbij de structurele chiraliteit van een materiaal de spin en het orbitaal impulsmoment van de elektronen beïnvloedt. CISS is cruciaal voor de ontwikkeling van supergeleidende spintronica en topologische supergeleiding, omdat het een manier is om de spin van elektronen in supergeleidende materialen te controleren.

Door de interface tussen deze twee materialen te bewerken, konden de onderzoekers de supergeleidende eigenschappen verbeteren. Het resulterende materiaal bleek ook veel beter bestand tegen magnetische velden, wat op zich al een kritieke factor is voor veel praktische toepassingen. Het kan bijvoorbeeld decoherentie elimineren, wat optreedt wanneer een kwantumsysteem interageert met zijn omgeving.

De implicaties? Deze nieuwe technologie kan bijdragen aan de ontwikkeling van hogetemperatuur-supergeleiders, die werken bij temperaturen dichter bij de omgevingstemperatuur. Het is belangrijk om op te merken dat bestaande supergeleiders alleen bij extreem lage temperaturen werken. Als de temperaturen zo hoog worden dat de geleidingsband wordt bereikt, zal er geen supergeleiding optreden. Toekomstige materialen die gebaseerd zijn op deze interface zouden daarom de overdracht en opslag van energie opnieuw kunnen definiëren en het mogelijk kunnen maken om krachtigere en efficiëntere elektronische apparaten te maken, zoals krachtige transistors.

Tot slot zou de verbeterde spin-baankoppeling in dit nieuwe materiaal kunnen leiden tot de realisatie van exotische supergeleidende toestanden met topologische eigenschappen. Exotische toestanden verschillen van conventionele supergeleiders wat betreft hun elektronische eigenschappen en symmetrie. Deze toestanden zijn het onderwerp geweest van intense onderzoeksinteresse vanwege hun potentieel voor informatieverwerking en kwantumcomputatie, zoals eerder vermeld.

De onderzoekers denken dat hun bevindingen verder onderzoek op het gebied van supergeleiding zullen stimuleren en in de nabije toekomst nieuwe wegen zullen openen. Ter referentie: het eerste commerciële MRI-systeem dat supergeleiders gebruikte, werd begin jaren 1980 geïntroduceerd op . Het behoeft geen betoog dat dit baanbrekende technologie was, en hopelijk bouwen toekomstige toepassingen alleen maar voort op de erfenis ervan.