Suprajohteet päästävät sähkövirran kulkemaan ilman vastusta, kun taas topologiset eristeet ovat ohuita, vain muutaman atomin paksuisia kalvoja, jotka rajoittavat elektronien liikkumista reunoilleen, mikä johtaa ainutlaatuisiin ominaisuuksiin. Tutkimusryhmä osoitteessa Penn State on löytänyt uuden tavan yhdistää kaksi materiaalia, joilla on erityisiä sähköisiä ominaisuuksia. Heidän menetelmänsä tarjoaa perustan topologiselle kvantitietokoneet jotka ovat vakaampia kuin perinteiset vastineensa.
Tämän tutkimuksen tutkijat käyttivät molekyylisäteen epitaksitekniikkaa topologisen eristimen syntetisoimiseen ja suprajohde elokuvia. Sitten he loivat kaksiulotteisen heterorakenteen, joka on erinomainen alusta topologisen suprajohtavuuden ilmiön tutkimiselle.
Aikaisemmissa tutkimuksissa ohuiden kalvojen suprajohtavuus näiden kahden materiaalin sekoittamiseksi katoaa tyypillisesti, kun päälle kehittyy topologinen eristekerros. Fyysikot lisäsivät topologisen eristelevyn kolmiulotteiseen "bulkki" suprajohtimeen säilyttäen molempien materiaalien ominaisuudet. Topologisten suprajohteiden sovellusten, kuten pienitehoisten sirujen kvanttitietokoneissa tai älypuhelimissa, tulisi kuitenkin olla kaksiulotteisia.
Tässä tutkimuksessa tutkijat pinosivat topologisen eristekalvon, joka oli valmistettu vismuttiselenidistä (Bi2Se3), jonka paksuus oli yksikerroksisesta niobiumdiselenidistä (NbSe2) valmistetusta suprajohdekalvosta, jolloin saatiin kaksiulotteinen lopputuote. Syntetisoimalla heterorakenteita hyvin alemmassa lämpötilassa ryhmä säilytti topologiset ja suprajohtavat ominaisuudet.
Hemian Yi, Penn Staten Chang Research Groupin tutkijatohtori ja paperin ensimmäinen kirjoittaja, sanoi: "Suprajohtimissa elektronit muodostavat "Cooper-pareja" ja voivat virrata ilman vastusta, mutta voimakas magneettikenttä voi rikkoa nämä parit.
"Käyttämämme yksikerroksinen suprajohdekalvo tunnetaan "Ising-tyyppisestä suprajohtavuudestaan", mikä tarkoittaa, että Cooper-parit ovat kestäviä tason sisäisiä magneettikenttiä vastaan. Odotamme heterorakenteissamme muodostuvan topologisen suprajohtavan vaiheen olevan tällä tavalla vankka."
Tutkijat havaitsivat, että heterorakenne muuttui Ising-tyyppisestä suprajohtavuudesta, jossa elektronin spin on kohtisuorassa kalvoon nähden, "Rashba-tyyppiseksi suprajohtavuuteen", jossa elektronien spin on yhdensuuntainen kalvon kanssa, muuttamalla hienovaraisesti topologisen eristeen paksuutta. . Tämä ilmiö havaitaan myös tutkijoiden teoreettisissa laskelmissa ja simulaatioissa.
Tämä heterorakenne voisi myös olla hyvä alusta Majorana-fermionien tutkimiselle. Tämä vaikeasti vaikea hiukkanen tekisi topologisesta kvanttitietokoneesta huomattavasti vakaamman kuin edeltäjänsä.
Cui-Zu Chang, Henry W. Knerr Varhaisen uran professori ja fysiikan apulaisprofessori Penn Statessa, sanoi, ”Tämä on erinomainen alusta topologisten suprajohteiden tutkimiseen, ja toivomme, että löydämme jatkuvassa työssämme todisteita topologisesta suprajohtavuudesta. Kun meillä on vankat todisteet topologisesta suprajohtavuudesta ja demonstroidaan Majoranan fysiikkaa, tämä järjestelmä voidaan mukauttaa kvanttilaskentaan ja muihin sovelluksiin.
Lehden viite:
- Cui-Zu Chang, Crossover from Ising-to Rashba-tyyppinen suprajohtavuus epitaksiaalisissa Bi2Se3/yksikerroksisissa NbSe2-heterorakenteissa, Luonto Materiaalit (2022). DOI: 10.1038 / s41563-022-01386-z
