Overfladesuperledning forekommer i topologiske materialer - Physics World

Overfladesuperledning forekommer i topologiske materialer - Physics World

Tidsstempel: 20. februar 2024 kl. 11:13

superledende buer på overfladen af ​​Weyl-halvmetallet
En skematisk/kunstnerisk repræsentation af de superledende buer på overfladen af ​​Weyl-halvmetallet. Høflighed: S Borisenko, A Kuibarov og O Suvorov

Forskere ved Leibniz Institute for Solid State and Materials Research ved IFW Dresden, Tyskland, har fundet bevis for overfladesuperledning i en klasse af topologiske materialer kendt som Weyl-halvmetaller. Interessant nok er superledningsevnen, som kommer fra elektroner indespærret i såkaldte Fermi-buer, lidt anderledes på top- og bundfladen af ​​den undersøgte prøve. Fænomenet kunne bruges til at skabe Majorana-tilstande - længe søgte kvasipartikler, der kunne lave ekstremt stabile, fejltolerante kvantebits til næste generations kvantecomputere. I mellemtiden har en anden gruppe ved Penn State University i USA fremstillet en chiral topologisk superleder ved at kombinere to magnetiske materialer. Majorana-stater kan også findes i dette nye materiale.

Topologiske isolatorer er isolerende i hovedsagen, men leder elektricitet ekstremt godt på deres kanter via specielle, topologisk beskyttede, elektroniske tilstande. Disse topologiske tilstande er beskyttet mod udsving i deres miljø, og elektroner i dem spredes ikke tilbage. Da tilbagespredning er den vigtigste spredningsproces i elektronik, betyder det, at disse materialer kan blive brugt til at lave meget energieffektive elektroniske enheder i fremtiden.

Weyl-halvmetaller er en nyligt opdaget klasse af topologisk materiale, hvor elektroniske excitationer opfører sig som masseløse Weyl-fermioner - først forudsagt i 1929 af den teoretiske fysiker Herman Weyl som en løsning af Dirac-ligningen. Disse fermioner opfører sig helt anderledes end elektroner i almindelige metaller eller halvledere, idet de viser den chirale magnetiske effekt. Dette sker, når et Weyl-metal placeres i et magnetfelt, som genererer en strøm af positive og negative Weyl-partikler, der bevæger sig parallelt og antiparallelt med feltet.

Fermioner, der kan beskrives af Weyls teori, kan optræde som kvasipartikler i faste stoffer, der har lineære elektronenergibånd, der krydser ved såkaldte (Weyl) "knuder", hvis eksistens i bulkbåndstrukturen uundgåeligt ledsages af dannelsen af ​​"Fermi" buer" på overfladebåndstrukturen, der grundlæggende forbinder par af "fremspring" af Weyl-knuder med modsat chiralitet. Hver bue danner halvdelen af ​​en løkke på den øverste overflade af en prøve færdiggjort af en bue på den nederste overflade.

Elektroner begrænset til Fermi-buer

I IFW Dresden-undersøgelsen, som er detaljeret i Natur, et team af forskere ledet af Sergey Borisenko studerede Weyl semimetal platin-vismut (PtBi2). Dette materiale har nogle elektroner begrænset til Fermi-buer på overfladen. Det er afgørende, at buerne på top- og bundfladen af ​​dette materiale er superledende, hvilket betyder, at elektronerne der parrer sig og bevæger sig uden modstand. Det er første gang, der er observeret superledning i Fermi-buer, hvor hovedparten forbliver metallisk, siger forskerne, og effekten er mulig takket være det faktum, at buerne ligger tæt på Fermi-overfladen (grænsen mellem besatte og ubesatte elektroner). niveauer) selv.

Holdet opnåede sit resultat ved hjælp af en teknik kaldet vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi (ARPES). Dette er et kompliceret eksperiment, hvor en laserlyskilde leverer meget lavenergifotoner ved meget lave temperaturer og ved usædvanligt høje emissionsvinkler, forklarer Borisenko. Dette lys er energisk nok til at sparke elektroner ud fra prøven, og en detektor måler både energien og den vinkel, hvormed elektroner forlader materialet. Den elektroniske struktur i krystallen kan rekonstrueres ud fra denne information.

"Vi har studeret PtBi2 før med synkrotronstråling, og for at være ærlig havde vi ikke forventet noget usædvanligt,” siger Borisenko. "Pludselig stødte vi dog på et meget skarpt, lyst og meget lokaliseret træk med hensyn til momentum slutenergi - som det viste sig, den smalleste top nogensinde i historien om fotoemission fra faste stoffer."

I deres målinger observerede forskerne også en åbning af et superledende energigab i Fermi-buerne. Da kun disse buer viste tegn på et mellemrum, betyder det, at superledningsevnen er helt begrænset til prøvens top- og bundflade, og danner en slags superleder-metal-superleder-sandwich (hoveddelen af ​​prøven er metallisk som nævnt). Denne struktur repræsenterer et iboende "SNS-Josephson kryds", forklarer Borisenko.

Et justerbart Josephson-kryds

Og det er ikke alt: fordi top- og bundfladen af ​​PtBi2 har distinkte Fermi-buer, bliver de to overflader superledende ved forskellige overgangstemperaturer, hvilket betyder, at materialet er en justerbar Josephson-forbindelse. Sådanne strukturer viser meget lovende for applikationer som følsomme magnetometre og superledende qubits.

I teorien, PtBi2 kunne også bruges til at skabe kvasipartikler kaldet Majorana nul-tilstande, forudsagt at komme fra topologisk superledning. Hvis de demonstreres i et eksperiment, kan de blive brugt som ekstremt stabile, fejltolerante qubits til næste generations kvantecomputere, siger Borisenko. "Vi er faktisk i øjeblikket ved at undersøge muligheden for anisotropi i det superledende hul i ren PtBi2 og forsøger at opdage lignende objekter i modificerede enkeltkrystaller af materialet for at finde måder at realisere topologisk superledning i det,” fortæller han Fysik verden.

Majorana nul-tilstande er dog ikke nemme at opdage, men i PtBi2 de kunne opstå, når de superledende mellemrum åbner sig i Fermi-buerne. Der vil dog være behov for meget mere detaljerede analyser af materialets elektroniske struktur for at bekræfte dette, siger Borisenko.

Kombinerer to magnetiske materialer

I en separat undersøgelse stablede forskere fra Penn State University sammen en ferromagnetisk topologisk isolator og et antiferromagnetisk jernchalcogenid (FeTe). De observerede robust chiral superledning ved grænsefladen mellem de to materialer - noget, der er uventet, da superledning og ferromagnetisme normalt konkurrerer med hinanden, forklarer studieteammedlem Chao-Xing Liu.

"Det er faktisk ret interessant, fordi vi har to magnetiske materialer, der ikke er superledende, men vi sætter dem sammen, og grænsefladen mellem disse to forbindelser producerer meget robust superledning," siger teammedlem. Cui-Zu Chang. "Jernchalcogenid er antiferromagnetisk, og vi forventer, at dets antiferromagnetiske egenskab er svækket omkring grænsefladen for at give anledning til den nye superledningsevne, men vi har brug for flere eksperimenter og teoretisk arbejde for at verificere, om dette er sandt, og for at afklare den superledende mekanisme."

Igen, systemet, som er detaljeret i Videnskab, kan være en lovende platform til at udforske Majorana-fysikken, siger han.

Borisenko siger, at dataene fra Penn State-forskerne er "meget interessante", og som i hans gruppes arbejde ser Liu, Chang og kolleger ud til at have fundet beviser for usædvanlig superledning, omend ved en anden type grænseflade. "I vores arbejde er overfladen en grænseflade mellem bulken og vakuumet snarere end mellem to materialer," siger han.

Penn State-forskerne sigter også efter at bevise topologisk superledning, men de har tilføjet de nødvendige ingredienser - symmetribrud og topologi - på en mere kunstig måde ved at bringe de relevante materialer sammen til en heterostruktur, forklarer han. "I vores tilfælde er disse ingredienser naturligt til stede i et enkelt materiale på grund af den unikke natur af Weyl-halvmetaller."

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden