没有压力，就没有收获——这是康奈尔大学研究人员的信条，他们帮助找到了一种通过施加压力和变形来控制金属材料超导性的方法。
由艺术与科学学院物理学助理教授Katja Nowack领导的研究人员，与来自瑞士洛桑理工学院材料科学与工程学院的Philip Moll领导的团队合作。他们的论文《CeIrIn5中重费米子超导性的空间控制》发表在10月11日的《科学》杂志上。
这个项目一开始是一个谜。Moll的团队一直在测量由铈、铱、铟-5 (CeIrIn5)制成的微结构设备的超导性，CeIrIn5是一种重费米子金属。该团队困惑地发现，当设备以不同的配置进行测量时，设备的临界温度——即电阻消失和超导发生的点，也称为过渡温度——发生了变化。通常，整个结构的临界温度应该是相同的。
摩尔经常的合作者布拉德·拉姆肖是康奈尔大学的物理学助理教授，也是这篇论文的作者之一。她的实验室已经为高灵敏度磁成像构建了一个扫描探针显微镜，它的工作温度低至10米利克尔文(大约零下459华氏度)，非常适合对莫尔正在研究的结构成像。这些探测器是超导量子干涉装置(SQUIDs)。
当Nowack和她的团队对这些小结构成像时，他们意识到材料的变形使超导性以一种空间模式的方式形成。
“我们观察到的模式看起来像是有什么东西拉着正方形样本的四个角，”Nowack说。
为了制作这些设备，摩尔的团队将CeIrIn5晶体结构粘在一层蓝宝石上，并用聚焦离子束将其打造成图案，就像一个微型喷砂器。像大多数金属一样，CeIrIn5遇冷收缩。但是蓝宝石，一种绝缘体，几乎不会收缩。当这两种材料一起冷却时，由于两层之间的机械拉力，ceirin5发生了变形。
“CeIrIn5的临界温度与应变有关，”Nowack说。“所以在一个方向上拉动晶体会使温度升高一点，然后在另一个方向上拉动晶体会使温度降低。”
这些应变可以将超导转变温度改变近四倍，从大约200微克到800微克。
诺瓦克说:“这些建筑有沟槽，通过高度的空间控制，这些沟槽被切割成各种特征。”“所有这些几何形状的细节都严重影响变形最后的效果。这真的很令人兴奋，因为通过改变几何形状，我们可以相应地在空间上控制这些小结构的超导性。”
使用这种方法，研究人员可以在不依赖化学增强的情况下调节超导性，也就是所谓的掺杂，这可能会影响晶体的清洁程度及其电子特性。
“现在我们理解如何使用微观结构来优化电子CeIrIn5的性质,我们可以扩展我们的其他材料,或我们可以设计更复杂的结构和调整控制超导转变重费米子化合物,”马特博士生说弗格森爵士,他进行了成像和担任该研究玛雅巴赫曼从德国马克斯普朗克研究所和圣安德鲁斯大学的苏格兰。
“此外，我们想看看我们是否可以做一些类似的其他类型的电子订单，如磁性，”Nowack说。
根据Nowack的说法，最直接的应用之一是所谓的约瑟夫森结器件的发明，它本质上是“超导体三明治”——薄绝缘体或夹在两个超导体之间的金属，可以实现非线性电行为。约瑟夫森结是超导逻辑和量子电路的基石，它可能在未来为高速电子和计算提供巨大的推动力。
基于这项工作的约瑟夫森结将在同一块干净的晶体中产生，薄的金属部分通过聚焦应变产生。
“有时压力会产生惊人的结果，”Nowack说。
合著者包括博士生David Low、Sayak Ghosh和Florian Theuss，以及马克斯普朗克固体化学物理研究所的研究人员;圣安德鲁斯大学;新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室;德国德累斯顿工业大学。
康奈尔大学的研究主要是由美国能源部和康奈尔材料研究中心资助的，资金来自国家科学基金会的材料研究科学与工程中心。
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