ابررساناها اجازه می دهند جریان الکتریکی بدون مقاومت عبور کند، در حالی که عایق های توپولوژیکی لایه های نازکی با ضخامت چند اتم هستند که حرکت الکترون ها را به لبه های خود محدود می کنند و در نتیجه خواص منحصر به فردی دارند. یک تیم تحقیقاتی در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا راه جدیدی برای ترکیب دو ماده با خواص الکتریکی خاص پیدا کرده است. روش آنها اساس توپولوژیکی را ارائه می دهد کامپیوترهای کوانتومی که پایدارتر از همتایان سنتی خود هستند.
محققان در این مطالعه از تکنیک اپیتاکسی پرتو مولکولی برای سنتز یک عایق توپولوژیکی و ابررسانا فیلم های. آنها سپس یک ساختار ناهمسان دو بعدی ایجاد کردند که یک پلت فرم عالی برای کشف پدیده ابررسانایی توپولوژیکی است.
ابررسانایی در لایه‌های نازک در مطالعات قبلی برای اختلاط این دو ماده معمولاً زمانی که یک لایه عایق توپولوژیکی در بالا ایجاد می‌شود، از بین می‌رود. یک ورق عایق توپولوژیکی توسط فیزیکدانان به یک ابررسانای "فله" سه بعدی اضافه شد و خصوصیات هر دو ماده را حفظ کرد. با این حال، برنامه‌های کاربردی برای ابررساناهای توپولوژیکی، مانند تراشه‌های با مصرف انرژی کم در رایانه‌های کوانتومی یا گوشی‌های هوشمند، باید دو بعدی باشند.
در این مطالعه، محققان یک فیلم عایق توپولوژیکی ساخته شده از سلنید بیسموت (Bi2Se3) با ضخامت های مختلف را روی یک فیلم ابررسانا ساخته شده از تک لایه نیوبیوم دیزلنید (NbSe2) چیدند که منجر به یک محصول نهایی دو بعدی شد. با سنتز هتروساختارها در دمای بسیار پایین، این تیم خواص توپولوژیکی و ابررسانایی را حفظ کردند.
همیان یی، محقق فوق دکتری در گروه تحقیقاتی چانگ در ایالت پن و اولین نویسنده مقاله، گفت: در ابررساناها، الکترون‌ها «جفت‌های کوپر» را تشکیل می‌دهند و می‌توانند با مقاومت صفر جریان داشته باشند، اما یک میدان مغناطیسی قوی می‌تواند این جفت‌ها را بشکند.»
فیلم ابررسانای تک‌لایه‌ای که ما استفاده کردیم به‌خاطر «ابررسانایی از نوع Ising» معروف است، به این معنی که جفت‌های کوپر در برابر میدان‌های مغناطیسی درون صفحه قوی هستند. ما انتظار داریم که فاز ابررسانای توپولوژیکی که در ساختارهای ناهمسان ما شکل می‌گیرد، از این طریق قوی باشد.
محققان کشف کردند که ساختار ناهمسان از ابررسانایی نوع آیزینگ، که در آن اسپین الکترون عمود بر لایه است، به «ابررسانایی نوع راشبا»، که در آن اسپین الکترون موازی با لایه است، با تغییر نامحسوس ضخامت عایق توپولوژیکی تغییر کرد. . این پدیده در محاسبات و شبیه سازی های نظری محققین نیز مشاهده می شود.
این ساختار ناهمسان همچنین می تواند سکوی خوبی برای کاوش فرمیون های Majorana باشد. این ذره گریزان به طور قابل توجهی یک کامپیوتر کوانتومی توپولوژیکی را نسبت به پیشینیان خود پایدارتر می کند.
Cui-Zu Chang، Henry W. Knerr پروفسور اولیه شغلی و دانشیار فیزیک در ایالت پن، گفت:, این یک پلت فرم عالی برای اکتشاف ابررساناهای توپولوژیکی است، و ما امیدواریم که شواهدی از ابررسانایی توپولوژیکی را در ادامه کار خود پیدا کنیم. هنگامی که شواهد محکمی از ابررسانایی توپولوژیکی داشته باشیم و فیزیک مایورانا را نشان دهیم، این سیستم می تواند برای محاسبات کوانتومی و سایر کاربردها سازگار شود.
مرجع مجله:
- Cui-Zu Chang، متقاطع از ابررسانایی از نوع Ising- به Rashba در ساختارهای ناهمسان Bi2Se3/تک لایه NbSe2، مواد طبیعت (2022) DOI: 10.1038 / s41563-022-01386-Z
