Nadprzewodniki wysokotemperaturowe coraz bliżej rzeczywistości dzięki nowemu, niekonwencjonalnemu interfejsowi

Zespół naukowców opracował unikalny interfejs pomiędzy nadprzewodnikiem (materiałem wykazującym zerowy opór elektryczny w niskich temperaturach) a materiałem chiralnym. Nowy interfejs tworzy znacznie wzmocnione pole Zeemana - pole magnetyczne, które wpływa na spin elektronów. Technologia ta może być kluczem do nowych i innowacyjnych zastosowań w dziedzinach takich jak elektronika, energia i co najważniejsze, obliczenia kwantowe.

Nowy materiał nadprzewodzący łączy w sobie konwencjonalny nadprzewodnik z materiałem wykazującym silne sprzężenie spin-orbita. Wykazano, że interakcja ta, wynikająca ze sprzężenia między spinem elektronu a jego ruchem orbitalnym, silnie wpływa na właściwości materiału nadprzewodzącego. Interfejs indukuje polaryzację spinową na powierzchni nadprzewodnika i generuje stany kwazicząstek pochodzenia magnetycznego.

Stany kwazicząsteczkowe to te, na które szczególny wpływ ma pole magnetyczne. Stany te mogą powstawać w materiałach, w których oddziaływania między elektronami i polami magnetycznymi są silne. Efekty te są powiązane z koncepcją selektywności spinowej indukowanej chiralnością (CISS), w której strukturalna chiralność materiału wpływa na spin i orbitalny moment pędu jego elektronów. CISS ma kluczowe znaczenie dla rozwoju nadprzewodzącej spintroniki i nadprzewodnictwa topologicznego, ponieważ zapewnia sposób kontrolowania spinu elektronów w materiałach nadprzewodzących.

Poprzez inżynierię interfejsu między tymi dwoma materiałami, naukowcy byli w stanie poprawić właściwości nadprzewodzące. Uzyskany materiał wykazał również znacznie wyższą tolerancję na pola magnetyczne, co samo w sobie jest krytycznym czynnikiem dla wielu praktycznych zastosowań. Na przykład, może wyeliminować dekoherencję, która występuje, gdy system kwantowy wchodzi w interakcję ze swoim otoczeniem.

Implikacje? Ta nowa technologia może przyczynić się do rozwoju nadprzewodników wysokotemperaturowych, które działają w temperaturach zbliżonych do warunków otoczenia. Należy zauważyć, że istniejące nadprzewodniki działają tylko w ekstremalnie niskich temperaturach. Jeśli temperatura wzrośnie wystarczająco wysoko, aby osiągnąć pasmo przewodzenia, nadprzewodnictwo nie wystąpi. Dlatego też przyszłe materiały oparte na wspomnianym interfejsie mogą na nowo zdefiniować transmisję i magazynowanie energii, a także umożliwić tworzenie mocniejszych i wydajniejszych urządzeń elektronicznych, takich jak wysokowydajne tranzystory.

Wreszcie, wzmocnione sprzężenie spin-orbita w tym nowym materiale może prowadzić do realizacji egzotycznych stanów nadprzewodzących o właściwościach topologicznych. Stany egzotyczne różnią się od konwencjonalnych nadprzewodników pod względem ich właściwości elektronicznych i symetrii. Stany te były przedmiotem intensywnego zainteresowania badawczego ze względu na ich potencjał w zakresie przetwarzania informacji i obliczeń kwantowych, jak wspomniano wcześniej.

Naukowcy wierzą, że ich odkrycia będą stymulować dalsze badania w dziedzinie nadprzewodnictwa i otworzą nowe możliwości w najbliższej przyszłości. Dla porównania, pierwszy komercyjny system MRI wykorzystujący nadprzewodniki został wprowadzony we wczesnych latach 80-tych. Nie trzeba dodawać, że była to przełomowa technologia i miejmy nadzieję, że przyszłe zastosowania będą opierać się na jej dziedzictwie.