Third-order nonlinear transport in a percolative two-dimensional superconductor

Stel je de wereld van elektriciteit voor als een bruisende stad. Normaal gesproken, wanneer we een lamp aanzetten, stromen de elektronen (de forenzen van de stad) in een rechte, voorspelbare lijn. Als je het verkeer verdubbelt, verdubbelt de stroom. Dit is "lineair" gedrag, en dit is de regelset voor de meeste van onze alledaagse elektronica. Maar soms, in de kleine, twee-dimensionale wereld van geavanceerde materialen, wordt het chaotisch. Elektronen beginnen een andere dans te dansen, waarbij ze op complexe manieren met elkaar interageren, wat "niet-lineaire" effecten creëert. Denk hierbij aan een verkeersopstopping waarbij het verdubbelen van de auto's niet alleen de vertraging verdubbelt, maar een volledige gridlock of een plotselinge, wilde golf veroorzaakt. Wetenschappers zijn geobsedeerd door het vinden van deze chaotische momenten, omdat ze verborgen regels onthullen over hoe materie werkt, vooral wanneer elektronen als een team werken in plaats van als individuen. Een van de meest opwindende teams waar ze naar zoeken is het "Cooper-paar", een speciaal duo van elektronen dat zonder enige weerstand kan bewegen, wat supergeleiding creëert. Maar wat gebeurt er wanneer dit supergeleidende team net begint te vormen, of wanneer het uit elkaar valt? Die rommelige, tussenliggende zone is waar de meest interessante fysica zich verbergt, wachtend om ontdekt te worden door te kijken naar hoe de stroom zich gedraagt wanneer je er net iets harder tegenaan duwt.

In dit onderzoek verkenden onderzoekers een zeer dunne, drie-laagse kristal gemaakt van een materiaal genaamd MoTe2 (molybdeen ditelluride). Ze zochten naar een specifiek soort elektrisch "gewiebel" dat "derde-orde niet-lineair transport" wordt genoemd. Om dit te begrijpen, stel je voor dat je een kind op een schommel duwt. Als je zachtjes duwt, beweegt de schommel heen en weer in een soepel, voorspelbaar ritme (lineair). Maar als je met een specifieke, ritmische kracht duwt, kan de schommel beginnen te wiebelen op een complexe, derde-harmonische manier die pas verschijnt wanneer je echt in de groove komt. Het team ontdekte dat in hun MoTe2-kristal, wanneer ze een elektrische stroom toepasten, de spanning niet alleen in een rechte lijn steeg; deze groeide met de derde macht van de stroom. Dit betekent dat als je de stroom verdrievoudigt, het signaal niet alleen verdrievoudigt; het springt omhoog met een factor zevenenttwintig. Dit enorme, kubische signaal verscheen specifiek wanneer het materiaal in een "percolatieve" staat was—een chique woord voor een situatie waarin supergeleiding probeert te ontstaan, maar het hele materiaal nog niet heeft overgenomen. Het is als een stad waar sommige wijken perfecte, wrijvingsloze wegen hebben, maar andere nog steeds vaststaan in het verkeer, en de elektronen tussen deze zones heen en weer springen.

De onderzoekers ontdekten dat dit gigantische kubische signaal een directe vingerafdruk is van "fluctuerende Cooper-paren". Dit zijn elektronenparen die proberen te vormen als het supergeleidende team, maar die nog steeds wiebelen en uit elkaar vallen omdat de temperatuur net een klein beetje te hoog is of de stroom te sterk is. Het artikel laat zien dat dit signaal ongelooflijk gevoelig is: het wordt sterker naarmate het materiaal dichter bij het worden van een volledige supergeleider komt, en het verdwijnt op het moment dat de supergeleiding wordt beëindigd door een magnetisch veld of hoge hitte. Ze maten dit in een apparaat dat werd afgekoeld tot een ijzige 250 millikelvin (dat is slechts een fractie van een graad boven het absolute nulpunt). Ze vonden dat het signaal enorm was—veel groter dan wat in andere materialen wordt gezien—en het volgde een perfect kubisch patroon tot aan een bepaalde stroomlimiet. Door een wiskundige theorie genaamd de tijdsafhankelijke Ginzburg–Landau-theorie te gebruiken, toonden ze aan dat dit gedrag perfect overeenkomt met het idee van deze wiebelende, fluctuerende paren. De theorie had geen "fudge-factoren" of verzonnen getallen nodig om de data te laten passen; de wiskunde werkte gewoon.

Het team speelde ook met het materiaal zoals een wetenschapper in een lab dat doet, door magneten en elektrische poorten te gebruiken om het systeem af te stemmen. Wanneer ze een magnetisch veld toepasten, werd de supergeleiding onderdrukt, en het kubische signaal verdween precies op hetzelfde moment dat het materiaal niet langer supergeleidend was. Dit bevestigde dat het signaal rechtstreeks verbonden is met de supergeleidende staat. Ze gebruikten ook een back-gate (als een afstandsbediening voor elektronen) om de hoeveelheid elektronen in het materiaal te veranderen. Ze ontdekten dat ze door deze gate aan te passen, de temperatuur waarbij de supergeleiding begon konden verschuiven, en het kubische signaal veranderde direct mee met deze aanpassing. Dit bewijst dat het signaal een betrouwbare manier is om deze vluchtige, fluctuerende elektronenparen te "zien" die anders onzichtbaar zijn.

Wat dit artikel bijzonder maakt, is dat het andere veelvoorkomende verklaringen uitsluit. Zo controleerden ze bijvoorbeeld of het signaal niet simpelweg werd veroorzaakt door het opwarmen van het materiaal door de elektriciteit (Joule-verhitting) of door een vreemde geometrische truc in het apparaat. Ze toonden aan dat het signaal een fundamentele eigenschap is van de interactie tussen elektronen in deze specifieke, rommelige, percolatieve staat. Hoewel ze geen nieuw apparaat hebben uitgevonden om dit voor te gebruiken, hebben ze vastgesteld dat het zoeken naar deze derde-orde signalen een krachtig nieuw instrument is. Het is alsoak het vinden van een nieuw type radar dat de "geesten" van supergeleiding kan detecteren voordat ze volledig materialiseren. Dit geeft wetenschappers een nieuwe manier om te bestuderen hoe elektronen teams vormen in laag-dimensionale materialen, wat kan helpen bij het begrijpen van de complexe regels die de toekomst van elektronica en kwantummaterialen beheersen.