Superledere tillader den elektriske strøm at passere uden modstand, mens topologiske isolatorer er tynde film med kun få atomer tykke, der begrænser elektronernes bevægelse til deres kanter, hvilket resulterer i unikke egenskaber. Et forskerhold kl Penn State har fundet en ny måde at kombinere to materialer med særlige elektriske egenskaber. Deres metode giver grundlaget for topologisk kvantecomputere der er mere stabile end deres traditionelle modstykker.
Forskere i denne undersøgelse brugte en molekylær stråleepitaksi-teknik til at syntetisere en topologisk isolator og superleder film. De skabte derefter en todimensionel heterostruktur, der er en fremragende platform til at udforske fænomenet topologisk superledning.
Superledningsevnen i tynde film i tidligere undersøgelser til at blande de to materialer forsvinder typisk, når et topologisk isolatorlag er udviklet ovenpå. En topologisk isolatorplade blev tilføjet til en tredimensionel "bulk" superleder af fysikere, hvilket bevarer begge materialers egenskaber. Imidlertid skal applikationer til topologiske superledere, såsom chips med lavt strømforbrug inde i kvantecomputere eller smartphones, være todimensionelle.
I denne undersøgelse stablede forskere en topologisk isolatorfilm lavet af bismuthselenid (Bi2Se3) med forskellige tykkelser på en superlederfilm lavet af monolag niobiumdiselenid (NbSe2), hvilket resulterede i et todimensionelt slutprodukt. Ved at syntetisere heterostrukturerne ved en meget lavere temperatur bibeholdt holdet de topologiske og superledende egenskaber.
Hemian Yi, en postdoktor i Chang Research Group i Penn State og papirets første forfatter, sagde: "I superledere danner elektroner 'Cooper-par' og kan flyde med nul modstand, men et stærkt magnetfelt kan bryde disse par."
"Den monolags superlederfilm, vi brugte, er kendt for sin 'Ising-type superledning', hvilket betyder, at Cooper-parrene er robuste over for magnetfelterne i planet. Vi forventer, at den topologiske superledende fase dannet i vores heterostrukturer er robust på denne måde."
Forskerne opdagede, at heterostrukturen ændrede sig fra Ising-type superledning, hvor elektronspin er vinkelret på filmen, til "Rashba-type superledning", hvor elektronspin er parallelt med filmen, ved subtilt at ændre tykkelsen af den topologiske isolator . Dette fænomen ses også i forskernes teoretiske beregninger og simuleringer.
Denne heterostruktur kunne også være en god platform til at udforske Majorana-fermioner. Denne undvigende partikel ville markant gøre en topologisk kvantecomputer mere stabil end dens forgængere.
Cui-Zu Chang, Henry W. Knerr professor i tidlig karriere og lektor i fysik ved Penn State, sagde, "Dette er en fremragende platform for udforskning af topologiske superledere, og vi håber på, at vi vil finde beviser for topologisk superledning i vores fortsatte arbejde. Når vi har solide beviser for topologisk superledning og demonstreret Majorana-fysik, kan dette system tilpasses til kvanteberegning og andre applikationer."
Journal Reference:
- Cui-Zu Chang, Crossover fra Ising- til Rashba-type superledning i epitaksiale Bi2Se3/monolag NbSe2 heterostrukturer, Nature Materials (2022). DOI: 10.1038 / s41563-022-01386-z
