Supraleiter lassen den elektrischen Strom ohne Widerstand fließen, während topologische Isolatoren dünne Filme mit einer Dicke von nur wenigen Atomen sind, die die Bewegung von Elektronen zu ihren Rändern einschränken, was zu einzigartigen Eigenschaften führt. Ein Forschungsteam bei Penn State hat einen neuen Weg gefunden, zwei Materialien mit besonderen elektrischen Eigenschaften zu kombinieren. Ihre Methode bietet die Grundlage für die Topologie Quantencomputer die stabiler sind als ihre herkömmlichen Gegenstücke.
Die Forscher dieser Studie verwendeten eine Molekularstrahlepitaxietechnik, um einen topologischen Isolator zu synthetisieren Supraleiter Filme. Anschließend schufen sie eine zweidimensionale Heterostruktur, die eine hervorragende Plattform zur Erforschung des Phänomens der topologischen Supraleitung darstellt.
Die Supraleitung in dünnen Filmen in früheren Studien zur Mischung der beiden Materialien verschwindet typischerweise, sobald eine topologische Isolatorschicht darauf entwickelt wird. Physiker fügten einem dreidimensionalen „Bulk“-Supraleiter eine topologische Isolatorschicht hinzu, wodurch die Eigenschaften beider Materialien erhalten blieben. Anwendungen für topologische Supraleiter, etwa Chips mit geringem Stromverbrauch in Quantencomputern oder Smartphones, müssten jedoch zweidimensional sein.
In dieser Studie stapelten Forscher einen topologischen Isolatorfilm aus Bismutselenid (Bi2Se3) mit unterschiedlichen Dicken auf einen Supraleiterfilm aus einschichtigem Niobdiselenid (NbSe2), was zu einem zweidimensionalen Endprodukt führte. Durch die Synthese der Heterostrukturen bei einer sehr niedrigeren Temperatur behielt das Team die topologischen und supraleitenden Eigenschaften bei.
Hemian Yi, Postdoktorand in der Chang Research Group an der Penn State University und Erstautor des Artikels, sagte: „In Supraleitern bilden Elektronen ‚Cooper-Paare‘ und können ohne Widerstand fließen, aber ein starkes Magnetfeld kann diese Paare aufbrechen.“
„Der von uns verwendete einschichtige supraleitende Film ist für seine ‚Ising-Typ-Supraleitung‘ bekannt, was bedeutet, dass die Cooper-Paare robust gegenüber den Magnetfeldern in der Ebene sind. Wir gehen davon aus, dass die in unseren Heterostrukturen gebildete topologische supraleitende Phase auf diese Weise robust ist.“
Die Forscher entdeckten, dass sich die Heterostruktur von einer Supraleitung vom Ising-Typ, bei der der Elektronenspin senkrecht zum Film verläuft, zu einer Supraleitung vom „Rashba-Typ“ änderte, bei der der Elektronenspin parallel zum Film verläuft, indem die Dicke des topologischen Isolators subtil verändert wurde . Dieses Phänomen lässt sich auch in den theoretischen Berechnungen und Simulationen der Forscher beobachten.
Diese Heterostruktur könnte auch eine gute Plattform für die Erforschung von Majorana-Fermionen sein. Dieses schwer fassbare Teilchen würde einen topologischen Quantencomputer deutlich stabiler machen als seine Vorgänger.
Cui-Zu Chang, Henry W. Knerr Early Career Professor und außerordentlicher Professor für Physik an der Penn State, sagte, „Dies ist eine hervorragende Plattform für die Erforschung topologischer Supraleiter, und wir hoffen, dass wir in unserer weiteren Arbeit Hinweise auf topologische Supraleitung finden werden.“ Sobald wir solide Beweise für topologische Supraleitung haben und die Majorana-Physik demonstrieren, könnte dieses System für Quantencomputer und andere Anwendungen angepasst werden.“
Journal Referenz:
- Cui-Zu Chang, Übergang von der Supraleitung vom Ising- zum Rashba-Typ in epitaktischen Bi2Se3/Monoschicht-NbSe2-Heterostrukturen, Nature Materials (2022). zurück 10.1038 / s41563-022-01386-z
