Kontakt
Intranet
EN
2D fyzika realizovaná v 3D kryštáloch narušením ich inverznej symetrie
Dvojrozmerné (2D) materiály vo všeobecnosti umožňujú realizáciu jedinečných kvantových javov, ktoré sú v bežnom trojrozmernom (3D) svete nedosiahnuteľné. Typickým príkladom je grafén. Prechodové kovové dichalkogenidy (TMD) majú podobnú štruktúru. Obe triedy materiálov možno vrstviť do van der Waalsových heteroštruktúr alebo exfoliovať na jednotlivé vrstvy. TMD však ponúkajú aj širšiu škálu vynikajúcich vlastností, vrátane silnej spin-orbitálnej väzby a supravodivosti. V 2D (jednovrstvovom atómovom filme) NbSe₂, ktorý je významným zástupcom TMD, vedie kombinácia týchto dvoch efektov spolu so špecifickou kryštálovou symetriou k tzv. Isingovej supravodivosti (IS), ktorá dokáže odolať extrémne vysokým magnetickým poliam orientovaným rovnobežne s rovinou kryštálu. Ešte vzrušujúcejšie než táto odolnosť voči magnetickým poliam je potenciálne využitie IS pri realizácii rôznych exotických javov, ako sú Andreevova reflexia s rovnakým spinom, topologická supravodivosť a Majoranove fermióny.
2D štruktúry sú však náchylné na degradáciu a nepraktické pre aplikácie. Naopak, 3D materiály sú robustné, ľahko škálovateľné a prístupné širšiemu spektru vedeckých analytických techník. Preto je žiaduce nájsť spôsoby, ako zachovať jedinečné vlastnosti 2D materiálov v ich 3D náprotivkoch. Bežnou stratégiou, ako „vložiť“ 2D správanie do 3D TMD, je interkalácia funkčných vrstiev medzi TMD atómové vrstvy. Ako ukazuje rastúci počet publikovaných článkov, takéto interkalované 3D materiály vykazujú medzivrstvovú vodivosť, ale zachovávajú si vlastnosti 2D TMD, vrátane IS. Hoci je tento prístup účinný, interkalácia komplikuje systém a môže viesť k ďalším efektom.
Jednoduchšia cesta: inžiniering symetrie, nie chémia
Vo svojej novej štúdii tím z Košíc ukazuje, že interkalácia nie je nevyhnutná. Ich práca publikovaná vo Physical Review Letters demonštruje, že existuje priamočiarejší postup ku podobným výsledkom. Na ochranu IS v objemovom kryštáli NbSe₂ postačuje samotné porušenie inverznej symetrie inak centro-symetrickej kryštálovej mriežky, a to bez akejkoľvek interkalácie. Na rozdiel od bežného 2H-NbSe2 kryštálu možno pri vyššej teplote pripraviť 4Ha-NbSe2 polytyp, ktorý má štyri atómové roviny v primitívnej bunke (pozri obrázok) a tie majú porušenú symetriu,
Keďže rozdiel medzi dvoma polytypmi je jemný, autori najprv použili rôzne experimentálne techniky na jednoznačné určenie kryštálovej štruktúry vzorky. Následne pomocou meraní tepelnej kapacity preukázali, že objemová supravodivosť v monokryštáli 4Ha-NbSe₂ odoláva magnetickým poliam takmer trikrát vyšším, než je Pauliho limit. Merania tepelnej kapacity charakterizujú objemové vlastnosti vzorky; preto sú nadradené transportným meraniam použitým v predchádzajúcich štúdiách, ktoré môžu trpieť rôznymi parazitnými 2D efektmi. Napokon, s využitím získaných kryštalografických parametrov autori ab initio vypočítali pásovú štruktúru polytypu 4Ha-NbSe₂ a dokázali prítomnosť IS v takomto kryštáli.
Prečo je to dôležité
Tieto výsledky ukazujú, že usporiadanie vrstiev a symetria – nielen chemické zloženie – môžu byť použité na ladenie základných elektronických vlastností v objemových TMD. Tento prístup zjednodušuje návrh materiálov, vyhýba sa chemickej komplexnosti a ponúka robustnú, škálovateľnú platformu na skúmanie a využitie Isingovej supravodivosti v realistických zariadeniach. Otvára nové cesty.
Obrázok:
Tepelná kapacita kryštálu 4Ha-NbSe₂ meraná až do 19 T. Vložený obrázok: Kryštálová štruktúra 4Ha-NbSe₂, kde elementárna bunka pozostáva zo 4 vrstiev