Pinna ülijuhtivus ilmneb topoloogilistes materjalides – Physics World

Saksamaal IFW Dresdenis asuva Leibnizi tahkis- ja materjaliuuringute instituudi teadlased on leidnud tõendeid pinna ülijuhtivuse kohta topoloogiliste materjalide klassis, mida tuntakse Weyli poolmetallidena. Huvitav on see, et ülijuhtivus, mis pärineb niinimetatud Fermi kaarega piiratud elektronidest, on uuritud proovi ülemisel ja alumisel pinnal veidi erinev. Seda nähtust saab kasutada Majorana olekute loomiseks – kaua otsitud kvaasiosakesi, mis võiksid luua järgmise põlvkonna kvantarvutite jaoks äärmiselt stabiilseid, tõrketaluvusega kvantbitte. Vahepeal on teine ​​​​USA Penn State'i ülikooli rühm valmistanud kiraalse topoloogilise ülijuhi, kombineerides kahte magnetilist materjali. Sellest uuest materjalist võib leida ka Majorana olekuid.

Topoloogilised isolaatorid isoleerivad suures osas, kuid juhivad oma servadel elektrit eriti hästi läbi spetsiaalsete topoloogiliselt kaitstud elektrooniliste olekute. Need topoloogilised seisundid on kaitstud nende keskkonna kõikumiste eest ja neis olevad elektronid ei haju tagasi. Kuna tagasihajumine on elektroonikas peamine hajutamisprotsess, tähendab see, et neid materjale võidakse tulevikus kasutada väga energiatõhusate elektroonikaseadmete valmistamiseks.

Weyli poolmetallid on hiljuti avastatud topoloogilise materjali klass, milles elektroonilised ergastused käituvad massita, Weyl, fermionid – esmakordselt ennustas 1929. aastal teoreetiline füüsik Herman Weyl Diraci võrrandi lahendusena. Need fermioonid käituvad tavaliste metallide või pooljuhtide elektronidest üsna erinevalt, kuna neil on kiraalne magnetiline efekt. See juhtub siis, kui Weyli metall asetatakse magnetvälja, mis tekitab positiivsete ja negatiivsete Weyli osakeste voolu, mis liiguvad väljaga paralleelselt ja antiparalleelselt.

Fermioonid, mida saab kirjeldada Weyli teooriaga, võivad esineda kvaasiosakestena tahketes ainetes, mille nn (Weyli) "sõlmedes" ristuvad lineaarsed elektronide energiaribad, mille olemasoluga massiriba struktuuris kaasneb paratamatult "Fermi" moodustumine. kaared" pinnariba struktuuril, mis põhimõtteliselt ühendavad vastandliku kiraalsusega Weyli sõlmede "eendipaare". Iga kaar moodustab poole proovi pealispinnal olevast silmusest, mille lõpetab kaar alumisel pinnal.

Elektronid, mis on piiratud Fermi kaarega

IFW Dresdeni uuringus, mis on üksikasjalikult kirjeldatud loodusjuhitud teadlaste meeskond Sergei Borisenko uuris Weyli poolmetallist plaatina-vismutti (PtBi₂). Selle materjali pinnal on mõned elektronid, mis on piiratud Fermi kaarega. Oluline on see, et selle materjali ülemisel ja alumisel pinnal olevad kaared on ülijuhtivad, mis tähendab, et seal olevad elektronid paarituvad ja liiguvad ilma takistuseta. See on esimene kord, kui Fermi kaares on ülijuhtivust täheldatud, kusjuures põhiosa jääb metalliliseks, väidavad teadlased, ja efekt on võimalik tänu sellele, et kaared asuvad Fermi pinna lähedal (hõive ja hõivamata elektronide vaheline piir). tasemed) ise.

Meeskond sai oma tulemuse, kasutades tehnikat, mida nimetatakse nurgalahutusega fotoemissioonispektroskoopiaks (ARPES). See on keeruline katse, milles laservalgusallikas edastab väga madala energiaga footoneid väga madalatel temperatuuridel ja ebatavaliselt kõrgete emissiooninurkade juures, selgitab Borisenko. See valgus on piisavalt energiline, et elektronid proovist välja visata ja detektor mõõdab nii energiat kui ka nurka, millega elektronid materjalist väljuvad. Selle teabe põhjal saab rekonstrueerida kristalli elektroonilise struktuuri.

"Oleme uurinud PtBi₂ varem sünkrotronkiirgusega ja ausalt öeldes ei oodanud me midagi ebatavalist,” ütleb Borisenko. "Ometi avastasime ootamatult väga terava, ereda ja väga lokaliseeritud tunnuse impulsi lõppenergia osas – nagu selgus, kõige kitsam tipp tahkete ainete fotoemissiooni ajaloos."

Mõõtmiste käigus täheldasid teadlased ka ülijuhtiva energia tühimiku avanemist Fermi kaare sees. Kuna ainult need kaared näitasid tühimiku märke, tähendab see, et ülijuhtivus piirdub täielikult proovi ülemise ja alumise pinnaga, moodustades omamoodi ülijuht-metall-ülijuht võileiva (suurem osa proovist on metallist, nagu mainitud). See struktuur kujutab endast sisemist "SNS-Josephsoni ristmikku", selgitab Borisenko.

Häälestatav Josephsoni ristmik

Ja see pole veel kõik: PtBi ülemine ja alumine pind₂ millel on erinevad Fermi kaared, muutuvad need kaks pinda ülijuhtivaks erinevatel üleminekutemperatuuridel, mis tähendab, et materjal on häälestatav Josephsoni ristmik. Sellised struktuurid näitavad palju lubadusi selliste rakenduste jaoks nagu tundlikud magnetomeetrid ja ülijuhtivad kubitid.

Teoreetiliselt PtBi₂ võiks kasutada ka kvaasiosakeste loomiseks nn Majorana nullrežiimid, mis pärineb eeldatavalt topoloogilisest ülijuhtivusest. Kui neid katses demonstreeritakse, võidakse neid kasutada järgmise põlvkonna kvantarvutite jaoks äärmiselt stabiilsete, tõrketaluvate kubitidena, ütleb Borisenko. "Tõepoolest, me uurime praegu puhta PtBi ülijuhtiva pilu anisotroopia võimalust₂ ja püüdes avastada sarnaseid objekte materjali modifitseeritud üksikkristallides, et leida viise, kuidas realiseerida selles topoloogilist ülijuhtivust,“ räägib ta. Füüsika maailm.

Majorana nullrežiime pole siiski lihtne tuvastada, kuid PtBi-s₂ need võivad ilmneda siis, kui Fermi kaaredes avanevad ülijuhtivad lüngad. Selle kinnitamiseks on aga vaja palju üksikasjalikumaid analüüse materjali elektroonilise struktuuri kohta, ütleb Borisenko.

Kahe magnetilise materjali ühendamine

Eraldi uuringus panid Penn State'i ülikooli teadlased kokku ferromagnetilise topoloogilise isolaatori ja antiferromagnetilise raudkalkogeniidi (FeTe). Nad täheldasid kahe materjali vahelisel liidesel tugevat kiraalset ülijuhtivust – see on ootamatu, kuna ülijuhtivus ja ferromagnetism konkureerivad tavaliselt omavahel, selgitab uurimisrühma liige. Chao-Xing Liu.

"See on tegelikult päris huvitav, sest meil on kaks magnetilist materjali, mis ei ole ülijuhtivad, kuid me paneme need kokku ja nende kahe ühendi liides tekitab väga tugeva ülijuhtivuse," ütleb meeskonnaliige. Cui-Zu Chang. "Raudkalkogeniid on antiferromagnetiline ja me eeldame, et selle antiferromagnetiline omadus liidese ümber nõrgeneb, et tekitada ülijuhtivus, kuid meil on vaja rohkem katseid ja teoreetilist tööd, et kontrollida, kas see vastab tõele ja selgitada ülijuhtivusmehhanismi."

Weyli silmused ühendavad

Jällegi süsteem, mis on üksikasjalikult kirjeldatud teadus, võib olla paljutõotav platvorm Majorana füüsika uurimiseks, ütleb ta.

Borisenko ütleb, et Penn State'i teadlaste andmed on "väga huvitavad" ja nagu ka tema töörühma töös, näivad Liu, Chang ja kolleegid olevat leidnud tõendeid ebatavalise ülijuhtivuse kohta, ehkki erinevat tüüpi liideste puhul. "Meie töös on pind pigem puiste ja vaakumi vaheline liides kui kahe materjali vahel," ütleb ta.

Penn State'i teadlaste eesmärk on tõestada ka topoloogilist ülijuhtivust, kuid nad on lisanud vajalikud koostisosad - sümmeetria purustamine ja topoloogia - kunstlikumal viisil, viies asjakohased materjalid kokku heterostruktuuri moodustamiseks, selgitab ta. "Meie puhul on Weyli poolmetallide ainulaadse olemuse tõttu need koostisosad loomulikult ühes materjalis."

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/surface-superconductivity-appears-in-topological-materials/