Pintojen suprajohtavuus näkyy topologisissa materiaaleissa – Physics World

Saksan IFW Dresdenin Leibnizin kiinteän olomuodon ja materiaalien tutkimusinstituutin tutkijat ovat löytäneet todisteita pinnan suprajohtavuudesta Weyl-puolimetalleina tunnetun topologisten materiaalien luokassa. Mielenkiintoista on, että suprajohtavuus, joka tulee niin kutsuttuihin Fermi-kaareihin rajoittuneista elektroneista, on hieman erilainen tutkitun näytteen ylä- ja alapinnalla. Ilmiötä voitaisiin käyttää luomaan Majorana-tiloja – kauan etsittyjä kvasihiukkasia, jotka voisivat tehdä erittäin vakaita, vikasietoisia kvanttibittejä seuraavan sukupolven kvanttitietokoneille. Samaan aikaan toinen ryhmä Penn State -yliopistossa Yhdysvalloissa on valmistanut kiraalisen topologisen suprajohteen yhdistämällä kaksi magneettista materiaalia. Tästä uudesta materiaalista saattaa löytyä myös Majoranan tiloja.

Topologiset eristeet eristävät pääosin, mutta johtavat sähköä erittäin hyvin reunoillaan erityisten, topologisesti suojattujen elektronisten tilojen kautta. Nämä topologiset tilat ovat suojassa ympäristönsä heilahteluilta ja niissä olevat elektronit eivät siroa takaisin. Koska takaisinsironta on elektroniikan pääasiallinen hajoamisprosessi, tämä tarkoittaa, että näitä materiaaleja voidaan käyttää tulevaisuudessa erittäin energiatehokkaiden elektronisten laitteiden valmistukseen.

Weyl-puolimetallit ovat äskettäin löydetty topologisen materiaalin luokka, jossa elektroniset viritteet käyttäytyvät massattomina, Weyl-fermioneina – teoreettinen fyysikko Herman Weyl ennusti ensimmäisen kerran vuonna 1929 Dirac-yhtälön ratkaisuksi. Nämä fermionit käyttäytyvät aivan eri tavalla kuin tavallisten metallien tai puolijohteiden elektronit, koska ne osoittavat kiraalista magneettista vaikutusta. Tämä tapahtuu, kun Weyl-metalli asetetaan magneettikenttään, joka tuottaa positiivisten ja negatiivisten Weyl-hiukkasten virran, jotka liikkuvat kentän suuntaisesti ja vastakkaisesti.

Fermionit, joita voidaan kuvata Weylin teorialla, voivat esiintyä kvasihiukkasina kiinteissä aineissa, joissa on lineaariset elektronienergiavyöhykkeet, jotka risteävät niin sanotuissa (Weyl) "solmuissa", joiden olemassaoloon bulkkinauharakenteessa väistämättä liittyy "Fermin" muodostuminen. kaaria" pintanauharakenteessa, jotka periaatteessa yhdistävät vastakkaisen kiraalisuuden Weyl-solmujen "projektiopareja". Jokainen kaari muodostaa puolet näytteen yläpinnalla olevasta silmukasta, jota täydentää alapinnalla oleva kaari.

Elektronit rajoittuvat Fermi-kaareihin

IFW Dresden -tutkimuksessa, joka on kuvattu yksityiskohtaisesti luontojohtama tutkijaryhmä Sergei Borisenko tutki Weylin puolimetallista platina-vismuttia (PtBi₂). Tämän materiaalin pinnalla on joitakin Fermi-kaareihin rajoittuneita elektroneja. Ratkaisevaa on, että tämän materiaalin ylä- ja alapinnalla olevat kaaret ovat suprajohtavia, mikä tarkoittaa, että siellä olevat elektronit pariutuvat ja liikkuvat ilman vastusta. Tämä on ensimmäinen kerta, kun Fermi-kaareissa on havaittu suprajohtavuutta, jolloin suurin osa jää metalliksi, tutkijat sanovat, ja vaikutus on mahdollista, koska kaaret sijaitsevat lähellä Fermin pintaa (miehitettyjen ja miehittämättömien elektronien välinen raja tasot) itse.

Ryhmä sai tuloksensa käyttämällä tekniikkaa, jota kutsutaan kulmaresoluuttiseksi fotoemissiospektroskopiaksi (ARPES). Tämä on monimutkainen koe, jossa laservalolähde tuottaa erittäin matalaenergiaisia ​​fotoneja erittäin matalissa lämpötiloissa ja epätavallisen korkeissa emissiokulmissa, Borisenko selittää. Tämä valo on tarpeeksi energinen potkimaan elektronit ulos näytteestä, ja ilmaisin mittaa sekä energian että kulman, jolla elektronit poistuvat materiaalista. Tästä tiedosta voidaan rekonstruoida kiteen elektroninen rakenne.

"Olemme tutkineet PtBi:tä₂ ennen synkrotronisäteilyä, ja rehellisesti sanottuna emme odottaneet mitään epätavallista”, Borisenko sanoo. "Yhtäkkiä kuitenkin törmäsimme erittäin terävään, kirkkaaseen ja erittäin paikalliseen liikkeen loppuenergian ominaisuuteen - kuten kävi ilmi, kapein huippu kiinteiden aineiden fotoemission historiassa."

Mittauksissaan tutkijat havaitsivat myös suprajohtavan energiaraon avautumisen Fermin kaarissa. Koska vain näissä kaarissa oli merkkejä raosta, tämä tarkoittaa, että suprajohtavuus rajoittuu kokonaan näytteen ylä- ja alapintoihin muodostaen eräänlaisen suprajohde-metalli-suprajohde-sandwich-elementin (pääosa näytteestä on metallia, kuten mainittiin). Tämä rakenne edustaa luontaista "SNS-Josephson-risteystä", Borisenko selittää.

Viritettävä Josephson-risteys

Eikä siinä vielä kaikki: koska PtBi:n ylä- ja alapinnat₂ joissa on erilliset Fermi-kaaret, kaksi pintaa muuttuvat suprajohtaviksi eri siirtymälämpötiloissa, mikä tarkoittaa, että materiaali on viritettävä Josephson-liitos. Tällaiset rakenteet osoittavat paljon lupauksia sellaisille sovelluksille kuin herkät magnetometrit ja suprajohtavat kubitit.

Teoriassa PtBi₂ voidaan käyttää myös kvasihiukkasten luomiseen ns Majoranan nollatilat, jonka ennustetaan tulevan topologisesta suprajohtavuudesta. Jos ne osoitetaan kokeessa, niitä voidaan käyttää erittäin vakaina, vikasietoisina kubitteina seuraavan sukupolven kvanttitietokoneissa, Borisenko sanoo. "Tutkimme parhaillaan anisotropian mahdollisuutta suprajohtavaan aukkoon puhtaassa PtBi:ssä₂ ja yrittää löytää samanlaisia ​​esineitä materiaalin modifioiduista yksittäiskiteistä löytääkseen tapoja toteuttaa topologinen suprajohtavuus siinä", hän kertoo. Fysiikan maailma.

Majoranan nollamoodit eivät kuitenkaan ole helppo havaita, mutta PtBi:ssä₂ ne voivat ilmaantua, kun suprajohtavat aukot avautuvat Fermin kaarissa. Tämän vahvistamiseksi tarvitaan kuitenkin paljon yksityiskohtaisempia analyyseja materiaalin elektronisesta rakenteesta, Borisenko sanoo.

Kahden magneettisen materiaalin yhdistäminen

Erillisessä tutkimuksessa Penn State Universityn tutkijat pinosivat yhteen ferromagneettisen topologisen eristeen ja antiferromagneettisen rautakalkogenidin (FeTe). He havaitsivat voimakasta kiraalista suprajohtavuutta kahden materiaalin rajapinnassa – mikä on odottamatonta, koska suprajohtavuus ja ferromagnetismi kilpailevat normaalisti keskenään, selittää tutkimusryhmän jäsen. Chao-Xing Liu.

"Se on itse asiassa aika mielenkiintoista, koska meillä on kaksi magneettista materiaalia, jotka eivät ole suprajohtavia, mutta laitamme ne yhteen ja näiden kahden yhdisteen välinen rajapinta tuottaa erittäin vankan suprajohtavuuden", sanoo tiimin jäsen. Cui-Zu Chang. "Rautakalkogenidi on antiferromagneettinen, ja odotamme sen antiferromagneettisen ominaisuuden heikkenevän rajapinnan ympärillä, mikä aiheuttaa syntyvän suprajohtavuuden, mutta tarvitsemme lisää kokeita ja teoreettista työtä varmistaaksemme, onko tämä totta, ja selvittääksemme suprajohtavuusmekanismin."

Weyl-silmukat yhdistyvät

Jälleen järjestelmä, joka on kuvattu yksityiskohtaisesti tiede, saattaa olla lupaava alusta Majoranan fysiikan tutkimiselle, hän sanoo.

Borisenko sanoo, että Penn Staten tutkijoiden tiedot ovat "erittäin mielenkiintoisia" ja kuten hänen ryhmänsä työssään, Liu, Chang ja kollegat näyttävät löytäneen todisteita epätavallisesta suprajohtavuudesta, vaikkakin erityyppisestä rajapinnasta. "Työssämme pinta on rajapinta bulkin ja tyhjiön välillä eikä kahden materiaalin välillä", hän sanoo.

Penn Staten tutkijat pyrkivät myös todistamaan topologista suprajohtavuutta, mutta he ovat lisänneet tarvittavat ainesosat – symmetrian rikkomisen ja topologian – keinotekoisemmin yhdistämällä asiaankuuluvat materiaalit heterorakenteeksi, hän selittää. "Meidän tapauksessamme Weyl-puolimetallien ainutlaatuisen luonteen vuoksi nämä ainesosat ovat luonnollisesti läsnä yhdessä materiaalissa."

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/surface-superconductivity-appears-in-topological-materials/