La superconductividad superficial aparece en materiales topológicos – Mundo Física

Investigadores del Instituto Leibniz de Investigación de Materiales y Estado Sólido de IFW Dresden, Alemania, han encontrado pruebas de superconductividad superficial en una clase de materiales topológicos conocidos como semimetales de Weyl. Curiosamente, la superconductividad, que proviene de los electrones confinados en los llamados arcos de Fermi, es ligeramente diferente en las superficies superior e inferior de la muestra estudiada. El fenómeno podría usarse para crear estados de Majorana: cuasipartículas muy buscadas que podrían producir bits cuánticos extremadamente estables y tolerantes a fallas para computadoras cuánticas de próxima generación. Mientras tanto, otro grupo de la Universidad Penn State (EE.UU.) ha fabricado un superconductor topológico quiral combinando dos materiales magnéticos. Los estados de Majorana también podrían encontrarse en este nuevo material.

Los aisladores topológicos son aislantes en su mayor parte, pero conducen la electricidad extremadamente bien en sus bordes a través de estados electrónicos especiales, topológicamente protegidos. Estos estados topológicos están protegidos de las fluctuaciones en su entorno y los electrones en ellos no se retrodispersan. Dado que la retrodispersión es el principal proceso de disipación en la electrónica, esto significa que estos materiales podrían usarse para fabricar dispositivos electrónicos de alta eficiencia energética en el futuro.

Los semimetales de Weyl son una clase de material topológico recientemente descubierta en la que las excitaciones electrónicas se comportan como fermiones Weyl sin masa, predichos por primera vez en 1929 por el físico teórico Herman Weyl como una solución de la ecuación de Dirac. Estos fermiones se comportan de manera muy diferente a los electrones de los metales o semiconductores ordinarios en el sentido de que muestran el efecto magnético quiral. Esto ocurre cuando un metal Weyl se coloca en un campo magnético, lo que genera una corriente de partículas Weyl positivas y negativas que se mueven paralelas y antiparalelas al campo.

Los fermiones que pueden describirse mediante la teoría de Weyl pueden aparecer como cuasipartículas en sólidos que tienen bandas lineales de energía electrónica que se cruzan en los llamados "nodos" (de Weyl), cuya existencia en la estructura de bandas en masa va inevitablemente acompañada de la formación de "Fermi". arcos” en la estructura de la banda superficial que básicamente conectan pares de “proyecciones” de nodos de Weyl de quiralidad opuesta. Cada arco forma la mitad de un bucle en la superficie superior de una muestra completado por un arco en la superficie inferior.

Electrones confinados en arcos de Fermi

En el estudio de IFW Dresden, que se detalla en Naturaleza, un equipo de investigadores dirigido por Serguéi Borisenko estudió el semimetal platino-bismuto de Weyl (PtBi₂). Este material tiene algunos electrones confinados en arcos de Fermi en su superficie. Fundamentalmente, los arcos en las superficies superior e inferior de este material son superconductores, lo que significa que los electrones allí se emparejan y se mueven sin resistencia. Esta es la primera vez que se observa superconductividad en los arcos de Fermi, siendo la mayor parte metálica, dicen los investigadores, y el efecto es posible gracias al hecho de que los arcos se encuentran cerca de la superficie de Fermi (el límite entre los electrones ocupados y desocupados). niveles) en sí.

El equipo obtuvo su resultado utilizando una técnica llamada espectroscopia de fotoemisión con resolución de ángulo (ARPES). Se trata de un experimento complicado en el que una fuente de luz láser emite fotones de muy baja energía a temperaturas muy bajas y con ángulos de emisión inusualmente altos, explica Borisenko. Esta luz es lo suficientemente energética como para expulsar electrones de la muestra y un detector mide tanto la energía como el ángulo con el que los electrones salen del material. La estructura electrónica dentro del cristal se puede reconstruir a partir de esta información.

“Hemos estudiado PtBi₂ antes con radiación sincrotrón y, sinceramente, no esperábamos nada inusual”, afirma Borisenko. "De repente, sin embargo, nos encontramos con una característica muy nítida, brillante y altamente localizada en términos de energía final del impulso; resultó ser el pico más estrecho jamás visto en la historia de la fotoemisión de sólidos".

En sus mediciones, los investigadores también observaron la apertura de una brecha de energía superconductora dentro de los arcos de Fermi. Dado que solo estos arcos mostraron signos de una brecha, esto significa que la superconductividad está completamente confinada a las superficies superior e inferior de la muestra, formando una especie de sándwich superconductor-metal-superconductor (la mayor parte de la muestra es metálica como se mencionó). Esta estructura representa una “unión SNS-Josephson” intrínseca, explica Borisenko.

Un cruce Josephson sintonizable

Y eso no es todo: porque las superficies superior e inferior de PtBi₂ tienen arcos de Fermi distintos, las dos superficies se vuelven superconductoras a diferentes temperaturas de transición, lo que significa que el material es una unión Josephson sintonizable. Estas estructuras son muy prometedoras para aplicaciones como magnetómetros sensibles y qubits superconductores.

En teoría, PtBi₂ También podría usarse para crear cuasipartículas llamadas Modos cero de Majorana, se prevé que provenga de la superconductividad topológica. Si se demuestran en un experimento, podrían usarse como qubits extremadamente estables y tolerantes a fallas para computadoras cuánticas de próxima generación, dice Borisenko. “De hecho, actualmente estamos investigando la posibilidad de anisotropía en la brecha superconductora del PtBi puro.₂ y tratar de descubrir objetos similares en monocristales modificados del material para encontrar formas de realizar la superconductividad topológica en él”, dice. Mundo de la física.

Sin embargo, los modos cero de Majorana no son fáciles de detectar, pero en el PtBi₂ podrían aparecer cuando se abren los huecos superconductores en los arcos de Fermi. Sin embargo, para confirmarlo serán necesarios análisis mucho más detallados de la estructura electrónica del material, afirma Borisenko.

Combinando dos materiales magnéticos

En un estudio separado, investigadores de la Universidad Penn State combinaron un aislante topológico ferromagnético y un calcogenuro de hierro antiferromagnético (FeTe). Observaron una superconductividad quiral robusta en la interfaz entre los dos materiales, algo inesperado ya que la superconductividad y el ferromagnetismo normalmente compiten entre sí, explica un miembro del equipo de estudio. Chao-Xing Liu.

"En realidad, es bastante interesante porque tenemos dos materiales magnéticos que no son superconductores, pero los juntamos y la interfaz entre estos dos compuestos produce una superconductividad muy robusta", dice un miembro del equipo. Cui-Zu Chang. "El calcogenuro de hierro es antiferromagnético y anticipamos que su propiedad antiferromagnética se debilita alrededor de la interfaz para dar lugar a la superconductividad emergente, pero necesitamos más experimentos y trabajo teórico para verificar si esto es cierto y aclarar el mecanismo superconductor".

Los bucles de Weyl se conectan

Nuevamente, el sistema, que se detalla en Ciencia:, podría ser una plataforma prometedora para explorar la física de Majorana, afirma.

Borisenko dice que los datos de los investigadores de Penn State son "muy interesantes" y, como en el trabajo de su grupo, Liu, Chang y sus colegas parecen haber encontrado evidencia de superconductividad inusual, aunque en un tipo diferente de interfaz. "En nuestro trabajo, la superficie es una interfaz entre la masa y el vacío, más que entre dos materiales", afirma.

Los investigadores de Penn State también pretenden demostrar la superconductividad topológica, pero han añadido los ingredientes necesarios (ruptura de simetría y topología) de una manera más artificial, reuniendo los materiales relevantes para formar una heteroestructura, explica. "En nuestro caso, debido a la naturaleza única de los semimetales Weyl, estos ingredientes están presentes de forma natural en un solo material".

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