ابررسانایی سطحی در مواد توپولوژیکی - دنیای فیزیک ظاهر می شود

محققان مؤسسه تحقیقات مواد و حالت جامد لایب‌نیتس در IFW Dresden، آلمان، مدرکی برای ابررسانایی سطحی در طبقه‌ای از مواد توپولوژیکی به نام نیمه فلزات Weyl یافته‌اند. جالب توجه است که ابررسانایی، که از الکترون‌های محصور در قوس‌های فرمی به دست می‌آید، در سطوح بالا و پایین نمونه مورد مطالعه کمی متفاوت است. این پدیده می‌تواند برای ایجاد حالت‌های مایورانا مورد استفاده قرار گیرد - شبه‌ذره‌ای که مدت‌ها به دنبال آن بودند و می‌توانند بیت‌های کوانتومی بسیار پایدار و مقاوم در برابر خطا را برای رایانه‌های کوانتومی نسل بعدی بسازند. در همین حال، گروه دیگری در دانشگاه پن استیت در ایالات متحده یک ابررسانای توپولوژیکی کایرال را با ترکیب دو ماده مغناطیسی ساخته است. حالت های مایورانا نیز ممکن است در این ماده جدید یافت شود.

عایق‌های توپولوژیکی به‌طور عمده عایق هستند، اما الکتریسیته را به‌خوبی در لبه‌های خود از طریق حالت‌های الکترونیکی ویژه و محافظت‌شده توپولوژیکی هدایت می‌کنند. این حالت‌های توپولوژیکی از نوسانات محیط خود محافظت می‌شوند و الکترون‌های موجود در آن‌ها به عقب پراکنده نمی‌شوند. از آنجایی که پراکندگی برگشتی فرآیند اصلی پراکندگی در الکترونیک است، این بدان معنی است که این مواد ممکن است در آینده برای ساخت دستگاه‌های الکترونیکی با انرژی بسیار کارآمد استفاده شوند.

نیمه فلزات ویل دسته ای از مواد توپولوژیکی هستند که اخیراً کشف شده اند که در آن تحریکات الکترونیکی به صورت فرمیون های بی جرم و ویل رفتار می کنند – که اولین بار در سال 1929 توسط فیزیکدان نظری هرمان ویل به عنوان حل معادله دیراک پیش بینی شد. این فرمیون‌ها با الکترون‌های موجود در فلزات یا نیمه‌رساناهای معمولی کاملاً متفاوت عمل می‌کنند، زیرا اثر مغناطیسی کایرال را نشان می‌دهند. این زمانی اتفاق می افتد که یک فلز ویل در یک میدان مغناطیسی قرار می گیرد، که جریانی از ذرات ویل مثبت و منفی ایجاد می کند که موازی و پاد موازی با میدان حرکت می کنند.

فرمیون هایی که با نظریه ویل قابل توصیف هستند، می توانند به صورت شبه ذرات در جامداتی ظاهر شوند که دارای نوارهای انرژی الکترونی خطی هستند که از گره های به اصطلاح (ویل) عبور می کنند، که وجود آنها در ساختار باند حجیم به طور اجتناب ناپذیری با تشکیل «فرمی» همراه است. قوس‌هایی روی ساختار نوار سطحی که اساساً جفت‌های «برآمدگی» گره‌های Weyl با کایرالیته مخالف را به هم متصل می‌کنند. هر قوس نیمی از یک حلقه را در سطح بالایی نمونه تشکیل می دهد که توسط یک قوس در سطح پایین تکمیل می شود.

الکترون های محدود به کمان فرمی

در مطالعه IFW Dresden که به تفصیل در طبیعت، تیمی از محققان به رهبری سرگئی بوریسنکو پلاتین-بیسموت نیمه فلزی Weyl (PtBi₂). این ماده دارای تعدادی الکترون است که به کمان فرمی در سطح خود محدود شده اند. مهم‌تر از همه، قوس‌های روی سطوح بالا و پایین این ماده ابررسانا هستند، به این معنی که الکترون‌های آنجا جفت می‌شوند و بدون مقاومت حرکت می‌کنند. به گفته محققان، این اولین باری است که ابررسانایی در کمان های فرمی مشاهده شده است، که بخش عمده آن فلزی باقی مانده است، و این اثر به لطف این واقعیت امکان پذیر است که کمان ها نزدیک به سطح فرمی (مرز بین الکترون های اشغال شده و غیر اشغالی) قرار دارند. سطوح) خود.

این تیم با استفاده از تکنیکی به نام طیف‌سنجی نوری با تفکیک زاویه‌ای (ARPES) به نتیجه رسیدند. بوریسنکو توضیح می دهد که این یک آزمایش پیچیده است که در آن یک منبع نور لیزر فوتون های بسیار کم انرژی را در دماهای بسیار پایین و در زوایای انتشار غیرمعمول بالا ارائه می دهد. این نور به اندازه کافی پرانرژی است تا الکترون ها را از نمونه خارج کند و یک آشکارساز هم انرژی و هم زاویه خروج الکترون ها از ماده را اندازه گیری می کند. ساختار الکترونیکی درون کریستال را می توان از این اطلاعات بازسازی کرد.

ما PtBi را مطالعه کرده ایم₂ پیش از این با تشعشع سنکروترون و صادقانه بگویم، ما انتظار هیچ چیز غیرعادی را نداشتیم. با این حال، ناگهان با یک ویژگی بسیار تیز، روشن و بسیار موضعی از نظر انرژی پایانی تکانه مواجه شدیم - همانطور که مشخص شد، باریک ترین اوج در تاریخ انتشار نور از جامدات.

در اندازه گیری های خود، محققان همچنین باز شدن یک شکاف انرژی ابررسانا را در قوس های فرمی مشاهده کردند. از آنجایی که فقط این قوس‌ها نشانه‌هایی از شکاف را نشان می‌دهند، این بدان معنی است که ابررسانایی به طور کامل به سطوح بالا و پایین نمونه محدود می‌شود و نوعی ساندویچ ابررسانا-فلز-ابررسانا را تشکیل می‌دهد (بخش عمده‌ای از نمونه فلزی است همانطور که ذکر شد). بوریسنکو توضیح می‌دهد که این ساختار یک "اتصال SNS-Josephson" ذاتی را نشان می‌دهد.

تقاطع جوزفسون قابل تنظیم

و این تمام نیست: زیرا سطوح بالا و پایین PtBi₂ دارای کمان فرمی متمایز هستند، این دو سطح در دماهای انتقال مختلف ابررسانا می شوند، به این معنی که این ماده یک اتصال جوزفسون قابل تنظیم است. چنین ساختارهایی برای کاربردهایی مانند مغناطیس‌سنج‌های حساس و کیوبیت‌های ابررسانا بسیار امیدوارکننده هستند.

در تئوری، PtBi₂ همچنین می تواند برای ایجاد شبه ذرات به نام حالت های صفر مایورانا، پیش بینی می شود که از ابررسانایی توپولوژیکی می آید. بوریسنکو می‌گوید اگر آنها در یک آزمایش نشان داده شوند، ممکن است به عنوان کیوبیت‌های بسیار پایدار و مقاوم در برابر خطا برای رایانه‌های کوانتومی نسل بعدی استفاده شوند. در واقع، ما در حال حاضر در حال بررسی امکان ناهمسانگردی در شکاف ابررسانا در PtBi خالص هستیم.₂ و تلاش برای کشف اجسام مشابه در تک بلورهای اصلاح شده ماده برای یافتن راه هایی برای تحقق ابررسانایی توپولوژیکی در آن." دنیای فیزیک.

تشخیص حالت های صفر Majorana آسان نیست، اما در PtBi₂ آنها می توانند زمانی ظاهر شوند که شکاف های ابررسانا در کمان های فرمی باز شوند. بوریسنکو می گوید، با این حال، تجزیه و تحلیل های بسیار دقیق تری از ساختار الکترونیکی مواد مورد نیاز است.

ترکیب دو ماده مغناطیسی

در یک مطالعه جداگانه، محققان دانشگاه پن ایالتی یک عایق توپولوژیک فرومغناطیسی و یک کالکوژنید آهن ضد فرومغناطیسی (FeTe) را کنار هم قرار دادند. عضو تیم مطالعه توضیح می دهد که آنها ابررسانایی کایرال قوی را در سطح مشترک بین دو ماده مشاهده کردند - چیزی که غیرمنتظره است زیرا ابررسانایی و فرومغناطیس معمولاً با یکدیگر رقابت می کنند. چائو-زینگ لیو.

یکی از اعضای تیم می‌گوید: «در واقع بسیار جالب است زیرا ما دو ماده مغناطیسی داریم که ابررسانا نیستند، اما آنها را کنار هم قرار می‌دهیم و رابط بین این دو ترکیب ابررسانایی بسیار قوی ایجاد می‌کند. کوی زو چانگ. کالکوژنید آهن ضد فرومغناطیسی است و ما پیش‌بینی می‌کنیم که خاصیت ضد فرومغناطیسی آن در اطراف سطح مشترک ضعیف شود تا به ابررسانایی نوظهور منجر شود، اما ما به آزمایش‌ها و کار نظری بیشتری برای تأیید صحت این موضوع و روشن کردن مکانیسم ابررسانا نیاز داریم.

حلقه های Weyl به هم متصل می شوند

باز هم سیستمی که به تفصیل در علماو می گوید، ممکن است یک پلت فرم امیدوارکننده برای کاوش در فیزیک مایورانا باشد.

بوریسنکو می‌گوید که داده‌های پژوهشگران ایالت پن «بسیار جالب» است و به نظر می‌رسد مانند کار گروهش، لیو، چانگ و همکارانش شواهدی از ابررسانایی غیرمعمول پیدا کرده‌اند، البته در نوع متفاوتی از رابط. او می‌گوید: «در کار ما، سطح به جای بین دو ماده، رابطی است بین توده و خلاء.

او توضیح می‌دهد که محققان ایالت پن نیز به دنبال اثبات ابررسانایی توپولوژیکی هستند، اما آنها مواد لازم - شکست تقارن و توپولوژی - را به روشی مصنوعی‌تر با کنار هم قرار دادن مواد مربوطه برای تشکیل یک ساختار ناهمسان اضافه کرده‌اند. در مورد ما، به دلیل ماهیت منحصر به فرد نیمه فلزات Weyl، این مواد به طور طبیعی در یک ماده وجود دارند.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/surface-superconductivity-appears-in-topological-materials/