Οι υπεραγωγοί επιτρέπουν στο ηλεκτρικό ρεύμα να περνά χωρίς αντίσταση, ενώ οι τοπολογικοί μονωτές είναι λεπτές μεμβράνες πάχους μόνο λίγων ατόμων που περιορίζουν την κίνηση των ηλεκτρονίων στα άκρα τους, με αποτέλεσμα μοναδικές ιδιότητες. Μια ερευνητική ομάδα στο Penn State βρήκε έναν νέο τρόπο να συνδυάζει δύο υλικά με ειδικές ηλεκτρικές ιδιότητες. Η μέθοδός τους προσφέρει τη βάση για τοπολογικές κβαντικούς υπολογιστές που είναι πιο σταθερά από τα παραδοσιακά αντίστοιχα.
Οι ερευνητές σε αυτή τη μελέτη χρησιμοποίησαν μια τεχνική επιταξίας μοριακής δέσμης για να συνθέσουν έναν τοπολογικό μονωτή και υπεραγωγός ταινίες. Στη συνέχεια δημιούργησαν μια δισδιάστατη ετεροδομή που είναι μια εξαιρετική πλατφόρμα για να εξερευνήσουν το φαινόμενο της τοπολογικής υπεραγωγιμότητας.
Η υπεραγωγιμότητα σε λεπτές μεμβράνες σε προηγούμενες μελέτες για την ανάμειξη των δύο υλικών συνήθως εξαφανίζεται μόλις αναπτυχθεί ένα τοπολογικό μονωτικό στρώμα στην κορυφή. Ένα τοπολογικό μονωτικό φύλλο προστέθηκε σε έναν τρισδιάστατο «χύμα» υπεραγωγό από φυσικούς, διατηρώντας τα χαρακτηριστικά και των δύο υλικών. Ωστόσο, οι εφαρμογές για τοπολογικούς υπεραγωγούς, όπως τσιπ με χαμηλή κατανάλωση ενέργειας σε κβαντικούς υπολογιστές ή smartphone, θα πρέπει να είναι δισδιάστατες.
Σε αυτή τη μελέτη, οι ερευνητές στοίβαξαν ένα τοπολογικό μονωτικό φιλμ από σεληνιούχο βισμούθιο (Bi2Se3) με διαφορετικά πάχη σε μια μεμβράνη υπεραγωγού από μονοστρωματικό δισεληνίδιο του νιοβίου (NbSe2), με αποτέλεσμα ένα δισδιάστατο τελικό προϊόν. Με τη σύνθεση των ετεροδομών σε πολύ χαμηλότερη θερμοκρασία, η ομάδα διατήρησε τις τοπολογικές και υπεραγώγιμες ιδιότητες.
Ο Hemian Yi, μεταδιδακτορικός υπότροφος στην ερευνητική ομάδα Chang στο Penn State και ο πρώτος συγγραφέας της εργασίας, είπε: «Στους υπεραγωγούς, τα ηλεκτρόνια σχηματίζουν «ζεύγη Cooper» και μπορούν να ρέουν με μηδενική αντίσταση, αλλά ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο μπορεί να σπάσει αυτά τα ζεύγη».
«Η μονοστρωματική μεμβράνη υπεραγωγού που χρησιμοποιήσαμε είναι γνωστή για την «υπεραγωγιμότητα τύπου Ising», που σημαίνει ότι τα ζεύγη Cooper είναι ανθεκτικά στα μαγνητικά πεδία εντός του επιπέδου. Αναμένουμε ότι η τοπολογική υπεραγώγιμη φάση που σχηματίζεται στις ετεροδομές μας θα είναι ισχυρή με αυτόν τον τρόπο».
Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι η ετεροδομή άλλαξε από την υπεραγωγιμότητα τύπου Ising, όπου το σπιν του ηλεκτρονίου είναι κάθετο στο φιλμ, σε «υπεραγωγιμότητα τύπου Rashba», όπου το σπιν του ηλεκτρονίου είναι παράλληλο με το φιλμ, αλλάζοντας διακριτικά το πάχος του τοπολογικού μονωτή. . Το φαινόμενο αυτό παρατηρείται και στους θεωρητικούς υπολογισμούς και προσομοιώσεις των ερευνητών.
Αυτή η ετεροδομή θα μπορούσε επίσης να είναι μια καλή πλατφόρμα για την εξερεύνηση των φερμιονίων Majorana. Αυτό το άπιαστο σωματίδιο θα έκανε σημαντικά έναν τοπολογικό κβαντικό υπολογιστή πιο σταθερό από τους προκατόχους του.
Cui-Zu Chang, Henry W. Knerr Early Career Professor και Αναπληρωτής Καθηγητής Φυσικής στο Penn State, είπε, «Αυτή είναι μια εξαιρετική πλατφόρμα για την εξερεύνηση τοπολογικών υπεραγωγών και ελπίζουμε ότι θα βρούμε στοιχεία τοπολογικής υπεραγωγιμότητας στη συνεχιζόμενη εργασία μας. Μόλις έχουμε ακλόνητα στοιχεία τοπολογικής υπεραγωγιμότητας και δείξουμε τη φυσική Majorana, αυτό το σύστημα θα μπορούσε να προσαρμοστεί για κβαντικούς υπολογιστές και άλλες εφαρμογές».
Αναφορά στο περιοδικό:
- Cui-Zu Chang, Crossover από υπεραγωγιμότητα τύπου Ising σε Rashba σε επιταξιακές ετεροδομές Bi2Se3/μονοστοιβάδας NbSe2, Φύση Υλικά (2022). DOI: 10.1038 / s41563-022-01386-z
