Oberflächensupraleitung tritt in topologischen Materialien auf – Physics World

Forscher des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung am IFW Dresden haben Beweise für Oberflächensupraleitung in einer Klasse topologischer Materialien gefunden, die als Weyl-Halbmetalle bekannt sind. Interessanterweise unterscheidet sich die Supraleitung, die von in sogenannten Fermi-Bögen eingeschlossenen Elektronen herrührt, auf der Ober- und Unterseite der untersuchten Probe geringfügig. Das Phänomen könnte genutzt werden, um Majorana-Zustände zu erzeugen – seit langem gesuchte Quasiteilchen, die extrem stabile, fehlertolerante Quantenbits für Quantencomputer der nächsten Generation erzeugen könnten. Unterdessen hat eine andere Gruppe an der Penn State University in den USA einen chiralen topologischen Supraleiter durch die Kombination zweier magnetischer Materialien hergestellt. Auch Majorana-Zustände könnten in diesem neuen Material zu finden sein.

Topologische Isolatoren isolieren in der Masse, leiten Elektrizität an ihren Rändern jedoch über spezielle, topologisch geschützte elektronische Zustände extrem gut. Diese topologischen Zustände sind vor Schwankungen in ihrer Umgebung geschützt und die Elektronen in ihnen streuen nicht zurück. Da Rückstreuung der wichtigste Verlustprozess in der Elektronik ist, bedeutet dies, dass diese Materialien in Zukunft möglicherweise zur Herstellung äußerst energieeffizienter elektronischer Geräte verwendet werden könnten.

Weyl-Halbmetalle sind eine kürzlich entdeckte Klasse topologischer Materialien, in denen sich elektronische Anregungen wie masselose Weyl-Fermionen verhalten – erstmals 1929 vom theoretischen Physiker Herman Weyl als Lösung der Dirac-Gleichung vorhergesagt. Diese Fermionen verhalten sich ganz anders als Elektronen in gewöhnlichen Metallen oder Halbleitern, da sie den chiralen magnetischen Effekt zeigen. Dies geschieht, wenn ein Weyl-Metall in ein Magnetfeld gebracht wird, das einen Strom aus positiven und negativen Weyl-Partikeln erzeugt, die sich parallel und antiparallel zum Feld bewegen.

Fermionen, die durch Weyls Theorie beschrieben werden können, können als Quasiteilchen in Festkörpern auftreten, deren lineare Elektronenenergiebänder sich an sogenannten (Weyl-)„Knoten“ kreuzen, deren Existenz in der Volumenbandstruktur unweigerlich mit der Bildung von „Fermi“ einhergeht Bögen“ auf der Oberflächenbandstruktur, die im Wesentlichen Paare von „Projektionen“ von Weyl-Knoten entgegengesetzter Chiralität verbinden. Jeder Bogen bildet eine halbe Schleife auf der Oberseite einer Probe, die durch einen Bogen auf der Unterseite vervollständigt wird.

Elektronen sind auf Fermi-Bögen beschränkt

In der Studie des IFW Dresden, die detailliert beschrieben wird in Natur, ein Forscherteam unter der Leitung von Sergej Borisenko untersuchten das Weyl-Halbmetall Platin-Wismut (PtBi).₂). Auf der Oberfläche dieses Materials sind einige Elektronen auf Fermi-Bögen beschränkt. Entscheidend ist, dass die Lichtbögen auf der Ober- und Unterseite dieses Materials supraleitend sind, was bedeutet, dass sich die Elektronen dort paaren und sich ohne Widerstand bewegen. Dies ist das erste Mal, dass Supraleitung in Fermi-Bögen beobachtet wurde, wobei die Masse metallisch bleibt, sagen die Forscher, und der Effekt ist möglich, weil die Bögen nahe an der Fermi-Oberfläche (der Grenze zwischen besetzten und unbesetzten Elektronen) liegen Ebenen) selbst.

Das Team erhielt sein Ergebnis mithilfe einer Technik namens winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie (ARPES). Dabei handelt es sich um ein kompliziertes Experiment, bei dem eine Laserlichtquelle sehr niederenergetische Photonen bei sehr niedrigen Temperaturen und ungewöhnlich hohen Emissionswinkeln liefert, erklärt Borisenko. Dieses Licht ist energiereich genug, um Elektronen aus der Probe herauszuschleudern, und ein Detektor misst sowohl die Energie als auch den Winkel, mit dem Elektronen das Material verlassen. Aus diesen Informationen lässt sich die elektronische Struktur im Kristall rekonstruieren.

„Wir haben PtBi untersucht₂ „Wir haben es vorher mit Synchrotronstrahlung gemacht und ehrlich gesagt haben wir nichts Ungewöhnliches erwartet“, sagt Borisenko. „Plötzlich stießen wir jedoch auf ein sehr scharfes, helles und stark lokalisiertes Merkmal in Bezug auf Impuls und Energie – wie sich herausstellte, den schmalsten Peak aller Zeiten in der Geschichte der Photoemission von Festkörpern.“

Bei ihren Messungen beobachteten die Forscher auch die Öffnung einer supraleitenden Energielücke innerhalb der Fermi-Bögen. Da nur diese Bögen Anzeichen einer Lücke zeigten, bedeutet dies, dass die Supraleitung vollständig auf die Ober- und Unterseite der Probe beschränkt ist und eine Art Supraleiter-Metall-Supraleiter-Sandwich bildet (der Großteil der Probe ist, wie erwähnt, metallisch). Diese Struktur stelle einen intrinsischen „SNS-Josephson-Kontakt“ dar, erklärt Borisenko.

Eine abstimmbare Josephson-Kreuzung

Und das ist noch nicht alles: Denn die Ober- und Unterseite bestehen aus PtBi₂ Da sie unterschiedliche Fermi-Bögen aufweisen, werden die beiden Oberflächen bei unterschiedlichen Übergangstemperaturen supraleitend, was bedeutet, dass es sich bei dem Material um einen abstimmbaren Josephson-Kontakt handelt. Solche Strukturen sind vielversprechend für Anwendungen wie empfindliche Magnetometer und supraleitende Qubits.

Theoretisch PtBi₂ könnte auch zur Erzeugung sogenannter Quasiteilchen verwendet werden Majorana-Nullmodi, vermutlich von der topologischen Supraleitung herrührend. Wenn sie in einem Experiment nachgewiesen werden, könnten sie als äußerst stabile, fehlertolerante Qubits für Quantencomputer der nächsten Generation verwendet werden, sagt Borisenko. „Tatsächlich untersuchen wir derzeit die Möglichkeit einer Anisotropie in der supraleitenden Lücke in reinem PtBi₂ und wir versuchen, ähnliche Objekte in modifizierten Einkristallen des Materials zu entdecken, um Wege zu finden, darin topologische Supraleitung zu realisieren“, erzählt er Physik-Welt.

Majorana-Nullmoden sind allerdings nicht leicht zu erkennen, wohl aber im PtBi₂ Sie könnten entstehen, wenn sich die supraleitenden Lücken in den Fermi-Bögen öffnen. Um dies zu bestätigen, seien jedoch noch viel detailliertere Analysen der elektronischen Struktur des Materials nötig, sagt Borisenko.

Kombination zweier magnetischer Materialien

In einer separaten Studie stapelten Forscher der Penn State University einen ferromagnetischen topologischen Isolator und ein antiferromagnetisches Eisenchalkogenid (FeTe). Sie beobachteten eine robuste chirale Supraleitung an der Grenzfläche zwischen den beiden Materialien – was unerwartet sei, da Supraleitung und Ferromagnetismus normalerweise miteinander konkurrieren, erklärt ein Mitglied des Studienteams Chao-Xing Liu.

„Eigentlich ist es ziemlich interessant, weil wir zwei magnetische Materialien haben, die nicht supraleitend sind, aber wir fügen sie zusammen und die Grenzfläche zwischen diesen beiden Verbindungen erzeugt eine sehr robuste Supraleitung“, sagt ein Teammitglied Cui-Zu Chang. „Eisenchalkogenid ist antiferromagnetisch, und wir gehen davon aus, dass seine antiferromagnetische Eigenschaft an der Grenzfläche geschwächt wird, was zur entstehenden Supraleitung führt. Wir benötigen jedoch weitere Experimente und theoretische Arbeiten, um zu überprüfen, ob dies wahr ist, und um den supraleitenden Mechanismus zu klären.“

Weyl-Schleifen verbinden sich

Auch hier das System, das im Detail beschrieben wird Wissenschaftkönnte eine vielversprechende Plattform für die Erforschung der Majorana-Physik sein, sagt er.

Borisenko sagt, die Daten der Penn State-Forscher seien „sehr interessant“ und wie in der Arbeit seiner Gruppe scheinen Liu, Chang und Kollegen Hinweise auf ungewöhnliche Supraleitung gefunden zu haben, wenn auch an einer anderen Art von Grenzfläche. „In unserer Arbeit ist die Oberfläche eine Schnittstelle zwischen der Masse und dem Vakuum und nicht zwischen zwei Materialien“, sagt er.

Die Forscher von Penn State wollen ebenfalls die topologische Supraleitung nachweisen, aber sie haben die notwendigen Zutaten – Symmetriebrechung und Topologie – auf künstlichere Weise hinzugefügt, indem sie die relevanten Materialien zu einer Heterostruktur zusammengebracht haben, erklärt er. „In unserem Fall sind diese Inhaltsstoffe aufgrund der einzigartigen Beschaffenheit der Weyl-Halbmetalle von Natur aus in einem einzigen Material vorhanden.“

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/surface-superconductivity-appears-in-topological-materials/