Η επιφανειακή υπεραγωγιμότητα εμφανίζεται σε τοπολογικά υλικά – Physics World

Ερευνητές στο Ινστιτούτο Leibniz για Έρευνα Στερεάς Κατάστασης και Υλικών στο IFW Dresden, Γερμανία, βρήκαν απόδειξη για την επιφανειακή υπεραγωγιμότητα σε μια κατηγορία τοπολογικών υλικών γνωστών ως ημιμέταλλα Weyl. Είναι ενδιαφέρον ότι η υπεραγωγιμότητα, η οποία προέρχεται από ηλεκτρόνια που περιορίζονται στα λεγόμενα τόξα Fermi, είναι ελαφρώς διαφορετική στην επάνω και στην κάτω επιφάνεια του δείγματος που μελετήθηκε. Το φαινόμενο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία καταστάσεων Majorana – πολυψαγμένα οιονεί σωματίδια που θα μπορούσαν να δημιουργήσουν εξαιρετικά σταθερά, ανεκτικά σε σφάλματα κβαντικά bit για κβαντικούς υπολογιστές επόμενης γενιάς. Εν τω μεταξύ, μια άλλη ομάδα στο Πανεπιστήμιο Penn State στις ΗΠΑ έχει κατασκευάσει έναν χειραλικό τοπολογικό υπεραγωγό συνδυάζοντας δύο μαγνητικά υλικά. Οι πολιτείες Majorana μπορεί επίσης να βρεθούν σε αυτό το νέο υλικό.

Οι τοπολογικοί μονωτές είναι μονωτικοί σε μεγάλο βαθμό, αλλά μεταφέρουν τον ηλεκτρισμό εξαιρετικά καλά στις άκρες τους μέσω ειδικών, τοπολογικά προστατευμένων, ηλεκτρονικών καταστάσεων. Αυτές οι τοπολογικές καταστάσεις προστατεύονται από διακυμάνσεις στο περιβάλλον τους και τα ηλεκτρόνια σε αυτές δεν διασκορπίζονται πίσω. Δεδομένου ότι η οπισθοσκέδαση είναι η κύρια διαδικασία διασποράς στα ηλεκτρονικά, αυτό σημαίνει ότι αυτά τα υλικά ενδέχεται να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή ηλεκτρονικών συσκευών υψηλής ενεργειακής απόδοσης στο μέλλον.

Τα ημιμέταλλα Weyl είναι μια πρόσφατα ανακαλυφθείσα κατηγορία τοπολογικού υλικού στην οποία οι ηλεκτρονικές διεγέρσεις συμπεριφέρονται ως φερμιόνια χωρίς μάζα, Weyl, - προβλέφθηκαν για πρώτη φορά το 1929 από τον θεωρητικό φυσικό Herman Weyl ως λύση της εξίσωσης Dirac. Αυτά τα φερμιόνια συμπεριφέρονται αρκετά διαφορετικά από τα ηλεκτρόνια σε συνηθισμένα μέταλλα ή ημιαγωγούς, καθώς δείχνουν το χειρόμορφο μαγνητικό φαινόμενο. Αυτό συμβαίνει όταν ένα μέταλλο Weyl τοποθετείται σε ένα μαγνητικό πεδίο, το οποίο δημιουργεί ένα ρεύμα θετικών και αρνητικών σωματιδίων Weyl που κινούνται παράλληλα και αντιπαράλληλα προς το πεδίο.

Τα φερμιόνια που μπορούν να περιγραφούν από τη θεωρία του Weyl μπορούν να εμφανίζονται ως οιονεί σωματίδια σε στερεά που έχουν γραμμικές ζώνες ενέργειας ηλεκτρονίων που διασταυρώνονται στους λεγόμενους (Weyl) «κόμβους», η ύπαρξη των οποίων στη δομή της χύδην ζώνης συνοδεύεται αναπόφευκτα από το σχηματισμό του «Fermi». τόξα» στη δομή της επιφανειακής ζώνης που βασικά συνδέουν ζεύγη «προβολών» κόμβων Weyl αντίθετης χειρικότητας. Κάθε τόξο σχηματίζει το μισό ενός βρόχου στην επάνω επιφάνεια ενός δείγματος που συμπληρώνεται από ένα τόξο στην κάτω επιφάνεια.

Ηλεκτρόνια περιορισμένα σε τόξα Fermi

Στη μελέτη της IFW Dresden, η οποία αναλύεται στο Φύση, μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Σεργκέι Μπορισένκο μελέτησε το ημιμέταλλο πλατίνα-βισμούθιο Weyl (PtBi₂). Αυτό το υλικό έχει μερικά ηλεκτρόνια περιορισμένα σε τόξα Fermi στην επιφάνειά του. Το σημαντικότερο είναι ότι τα τόξα στην επάνω και στην κάτω επιφάνεια αυτού του υλικού είναι υπεραγώγιμα, που σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια εκεί ζευγαρώνουν και κινούνται χωρίς αντίσταση. Αυτή είναι η πρώτη φορά που παρατηρείται υπεραγωγιμότητα στα τόξα Fermi, με το μεγαλύτερο μέρος να παραμένει μεταλλικό, λένε οι ερευνητές, και το αποτέλεσμα είναι δυνατό χάρη στο γεγονός ότι τα τόξα βρίσκονται κοντά στην επιφάνεια Fermi (το όριο μεταξύ κατειλημμένων και μη κατειλημμένων ηλεκτρονίων επίπεδα) η ίδια.

Η ομάδα έλαβε το αποτέλεσμά της χρησιμοποιώντας μια τεχνική που ονομάζεται φασματοσκοπία φωτοεκπομπής με ανάλυση γωνίας (ARPES). Αυτό είναι ένα περίπλοκο πείραμα στο οποίο μια πηγή φωτός λέιζερ αποδίδει πολύ χαμηλής ενέργειας φωτόνια σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες και σε ασυνήθιστα υψηλές γωνίες εκπομπής, εξηγεί ο Borisenko. Αυτό το φως είναι αρκετά ενεργητικό για να διώξει τα ηλεκτρόνια από το δείγμα και ένας ανιχνευτής μετρά τόσο την ενέργεια όσο και τη γωνία με την οποία τα ηλεκτρόνια εξέρχονται από το υλικό. Η ηλεκτρονική δομή μέσα στον κρύσταλλο μπορεί να ανακατασκευαστεί από αυτές τις πληροφορίες.

«Έχουμε μελετήσει το PtBi₂ πριν με την ακτινοβολία σύγχροτρον και για να είμαστε ειλικρινείς δεν περιμέναμε τίποτα ασυνήθιστο», λέει ο Borisenko. «Ξαφνικά, ωστόσο, συναντήσαμε ένα πολύ ευκρινές, φωτεινό και εξαιρετικά εντοπισμένο χαρακτηριστικό όσον αφορά την τελική ενέργεια της ορμής – όπως αποδείχθηκε, τη στενότερη κορυφή στην ιστορία της φωτοεκπομπής από στερεά».

Στις μετρήσεις τους, οι ερευνητές παρατήρησαν επίσης ένα άνοιγμα ενός υπεραγώγιμου ενεργειακού κενού μέσα στα τόξα Fermi. Δεδομένου ότι μόνο αυτά τα τόξα έδειχναν σημάδια κενού, αυτό σημαίνει ότι η υπεραγωγιμότητα περιορίζεται εξ ολοκλήρου στην επάνω και την κάτω επιφάνεια του δείγματος, σχηματίζοντας ένα είδος σάντουιτς υπεραγωγού-μετάλλου-υπεραγωγού (το μεγαλύτερο μέρος του δείγματος είναι μεταλλικό όπως αναφέρθηκε). Αυτή η δομή αντιπροσωπεύει μια εγγενή «διασταύρωση SNS-Josephson», εξηγεί ο Borisenko.

Μια συντονισμένη διασταύρωση Josephson

Και δεν είναι μόνο αυτό: γιατί η πάνω και η κάτω επιφάνεια του PtBi₂ έχουν διακριτά τόξα Fermi, οι δύο επιφάνειες γίνονται υπεραγώγιμες σε διαφορετικές θερμοκρασίες μετάβασης, πράγμα που σημαίνει ότι το υλικό είναι μια συντονιζόμενη διασταύρωση Josephson. Τέτοιες δομές υπόσχονται πολλά για εφαρμογές όπως τα ευαίσθητα μαγνητόμετρα και τα υπεραγώγιμα qubits.

Θεωρητικά, PtBi₂ θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία οιονεί σωματιδίων που ονομάζονται Μηδενικές λειτουργίες Majorana, που προβλέπεται ότι προέρχεται από την τοπολογική υπεραγωγιμότητα. Εάν αποδειχθούν σε ένα πείραμα, μπορεί να χρησιμοποιηθούν ως εξαιρετικά σταθερά, ανεκτικά σε σφάλματα qubits για κβαντικούς υπολογιστές επόμενης γενιάς, λέει ο Borisenko. «Πράγματι, αυτή τη στιγμή ερευνούμε την πιθανότητα ανισοτροπίας στο υπεραγώγιμο χάσμα σε καθαρό PtBi₂ και προσπαθώντας να ανακαλύψουμε παρόμοια αντικείμενα σε τροποποιημένους απλούς κρυστάλλους του υλικού για να βρούμε τρόπους πραγματοποίησης τοπολογικής υπεραγωγιμότητας σε αυτό», λέει. Κόσμος Φυσικής.

Ωστόσο, οι μηδενικές λειτουργίες Majorana δεν είναι εύκολο να εντοπιστούν, αλλά στο PtBi₂ θα μπορούσαν να εμφανιστούν όταν τα υπεραγώγιμα κενά ανοίγουν στα τόξα Fermi. Ωστόσο, θα χρειαστούν πολύ πιο λεπτομερείς αναλύσεις της ηλεκτρονικής δομής του υλικού για να επιβεβαιωθεί αυτό, λέει ο Borisenko.

Συνδυάζει δύο μαγνητικά υλικά

Σε μια ξεχωριστή μελέτη, οι ερευνητές του Πανεπιστημίου Penn State στοίβαξαν μαζί έναν σιδηρομαγνητικό τοπολογικό μονωτή και ένα αντισιδηρομαγνητικό χαλκογονίδιο σιδήρου (FeTe). Παρατήρησαν ισχυρή χειρόμορφη υπεραγωγιμότητα στη διεπαφή μεταξύ των δύο υλικών – κάτι που είναι απροσδόκητο αφού η υπεραγωγιμότητα και ο σιδηρομαγνητισμός συνήθως ανταγωνίζονται μεταξύ τους, εξηγεί το μέλος της ομάδας μελέτης Τσάο-Ξινγκ Λιου.

«Είναι πραγματικά πολύ ενδιαφέρον γιατί έχουμε δύο μαγνητικά υλικά που δεν είναι υπεραγώγιμα, αλλά τα βάζουμε μαζί και η διεπαφή μεταξύ αυτών των δύο ενώσεων παράγει πολύ ισχυρή υπεραγωγιμότητα», λέει το μέλος της ομάδας. Τσούι-Ζου Τσανγκ. «Το χαλκογονίδιο του σιδήρου είναι αντισιδηρομαγνητικό και αναμένουμε ότι η αντισιδηρομαγνητική του ιδιότητα θα εξασθενήσει γύρω από τη διεπαφή για να προκαλέσει την αναδυόμενη υπεραγωγιμότητα, αλλά χρειαζόμαστε περισσότερα πειράματα και θεωρητική εργασία για να επαληθεύσουμε αν αυτό είναι αλήθεια και να αποσαφηνιστεί ο υπεραγώγιμος μηχανισμός».

Οι βρόχοι Weyl συνδέονται

Και πάλι, το σύστημα, το οποίο περιγράφεται λεπτομερώς στο Επιστήμη, μπορεί να είναι μια πολλά υποσχόμενη πλατφόρμα για την εξερεύνηση της φυσικής της Majorana, λέει.

Ο Borisenko λέει ότι τα δεδομένα από τους ερευνητές του Penn State είναι «πολύ ενδιαφέροντα» και όπως και στην εργασία της ομάδας του, ο Liu, ο Chang και οι συνεργάτες του φαίνεται να έχουν βρει στοιχεία ασυνήθιστης υπεραγωγιμότητας, αν και σε διαφορετικό τύπο διεπαφής. «Στη δουλειά μας, η επιφάνεια είναι μια διεπαφή μεταξύ του όγκου και του κενού και όχι μεταξύ δύο υλικών», λέει.

Οι ερευνητές του Penn State στοχεύουν επίσης να αποδείξουν την τοπολογική υπεραγωγιμότητα, αλλά έχουν προσθέσει τα απαραίτητα συστατικά - σπάσιμο συμμετρίας και τοπολογία - με πιο τεχνητό τρόπο φέρνοντας τα σχετικά υλικά μαζί για να σχηματίσουν μια ετεροδομή, εξηγεί. «Στην περίπτωσή μας, λόγω της μοναδικής φύσης των ημιμετάλλων Weyl, αυτά τα συστατικά υπάρχουν φυσικά σε ένα μόνο υλικό».

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/surface-superconductivity-appears-in-topological-materials/