सतही अतिचालकता टोपोलॉजिकल सामग्रियों में प्रकट होती है - भौतिकी विश्व

सतही अतिचालकता टोपोलॉजिकल सामग्रियों में प्रकट होती है - भौतिकी विश्व

समय टिकट: 20 फरवरी, 2024 11:13 पूर्वाह्न

वेइल सेमीमेटल की सतह पर सुपरकंडक्टिंग आर्क
वेइल सेमीमेटल की सतह पर सुपरकंडक्टिंग आर्क्स का एक योजनाबद्ध/कलात्मक प्रतिनिधित्व। सौजन्य: एस बोरिसेंको, ए कुइबरोव और ओ सुवोरोव

जर्मनी के आईएफडब्ल्यू ड्रेसडेन में लाइबनिज इंस्टीट्यूट फॉर सॉलिड स्टेट एंड मैटेरियल्स रिसर्च के शोधकर्ताओं ने वेइल सेमीमेटल्स नामक टोपोलॉजिकल सामग्रियों के एक वर्ग में सतह सुपरकंडक्टिविटी का सबूत पाया है। दिलचस्प बात यह है कि सुपरकंडक्टिविटी, जो तथाकथित फर्मी आर्क्स में सीमित इलेक्ट्रॉनों से आती है, अध्ययन किए गए नमूने की ऊपरी और निचली सतहों पर थोड़ी भिन्न है। इस घटना का उपयोग मेजराना राज्यों को बनाने के लिए किया जा सकता है - लंबे समय से मांग वाले क्वासिपार्टिकल्स जो अगली पीढ़ी के क्वांटम कंप्यूटरों के लिए बेहद स्थिर, दोष-सहिष्णु क्वांटम बिट्स बना सकते हैं। इस बीच, अमेरिका में पेन स्टेट यूनिवर्सिटी के एक अन्य समूह ने दो चुंबकीय सामग्रियों को मिलाकर एक चिरल टोपोलॉजिकल सुपरकंडक्टर बनाया है। इस नई सामग्री में मेजराना राज्य भी पाए जा सकते हैं।

टोपोलॉजिकल इंसुलेटर बड़े पैमाने पर इंसुलेटिंग होते हैं लेकिन विशेष, टोपोलॉजिकल रूप से संरक्षित, इलेक्ट्रॉनिक स्थितियों के माध्यम से अपने किनारों पर बहुत अच्छी तरह से बिजली का संचालन करते हैं। ये टोपोलॉजिकल अवस्थाएँ अपने वातावरण में उतार-चढ़ाव से सुरक्षित रहती हैं और इनमें मौजूद इलेक्ट्रॉन बैकस्कैटर नहीं होते हैं। चूंकि इलेक्ट्रॉनिक्स में बैकस्कैटरिंग मुख्य अपव्यय प्रक्रिया है, इसका मतलब है कि इन सामग्रियों का उपयोग भविष्य में अत्यधिक ऊर्जा-कुशल इलेक्ट्रॉनिक उपकरण बनाने के लिए किया जा सकता है।

वेइल सेमीमेटल्स टोपोलॉजिकल सामग्री का एक हाल ही में खोजा गया वर्ग है जिसमें इलेक्ट्रॉनिक उत्तेजनाएं द्रव्यमान रहित, वेइल, फर्मियन के रूप में व्यवहार करती हैं - पहली बार 1929 में सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी हरमन वेइल ने डायराक समीकरण के समाधान के रूप में भविष्यवाणी की थी। ये फर्मियन सामान्य धातुओं या अर्धचालकों में इलेक्ट्रॉनों से काफी भिन्न व्यवहार करते हैं, जिसमें वे चिरल चुंबकीय प्रभाव दिखाते हैं। ऐसा तब होता है जब एक वेइल धातु को चुंबकीय क्षेत्र में रखा जाता है, जो सकारात्मक और नकारात्मक वेइल कणों की धारा उत्पन्न करता है जो क्षेत्र के समानांतर और प्रतिसमानांतर चलते हैं।

वेइल के सिद्धांत द्वारा वर्णित फ़र्मियन ठोस पदार्थों में क्वासिपार्टिकल्स के रूप में प्रकट हो सकते हैं जिनमें रैखिक इलेक्ट्रॉन ऊर्जा बैंड तथाकथित (वेइल) "नोड्स" को पार करते हैं, जिसका बल्क बैंड संरचना में अस्तित्व अनिवार्य रूप से "फ़र्मी" के गठन के साथ होता है। सतह बैंड संरचना पर आर्क्स" जो मूल रूप से विपरीत चिरैलिटी के वेइल नोड्स के "अनुमानों" के जोड़े को जोड़ते हैं। प्रत्येक चाप निचली सतह पर एक चाप द्वारा पूर्ण किए गए नमूने की ऊपरी सतह पर एक लूप का आधा हिस्सा बनाता है।

इलेक्ट्रॉन फर्मी आर्क्स तक ही सीमित हैं

IFW ड्रेसडेन अध्ययन में, जिसका विवरण दिया गया है प्रकृतिके नेतृत्व में शोधकर्ताओं की एक टीम सर्गेई बोरिसेंको वेइल सेमीमेटल प्लैटिनम-बिस्मथ (PtBi) का अध्ययन किया2). इस सामग्री में कुछ इलेक्ट्रॉन इसकी सतह पर फर्मी आर्क्स तक ही सीमित हैं। महत्वपूर्ण रूप से, इस सामग्री की ऊपरी और निचली सतहों पर चाप अतिचालक हैं, जिसका अर्थ है कि वहां इलेक्ट्रॉन जोड़े बनाते हैं और बिना किसी प्रतिरोध के चलते हैं। शोधकर्ताओं का कहना है कि यह पहली बार है कि फर्मी आर्क्स में सुपरकंडक्टिविटी देखी गई है, जिसमें अधिकांश भाग धात्विक है, और यह प्रभाव इस तथ्य के कारण संभव है कि आर्क्स फर्मी सतह (कब्जे वाले और खाली इलेक्ट्रॉनों के बीच की सीमा) के करीब स्थित हैं स्तर) स्वयं।

टीम ने एंगल-रिज़ॉल्व्ड फोटोएमिशन स्पेक्ट्रोस्कोपी (एआरपीईएस) नामक तकनीक का उपयोग करके अपना परिणाम प्राप्त किया। बोरिसेंको बताते हैं कि यह एक जटिल प्रयोग है जिसमें एक लेजर प्रकाश स्रोत बहुत कम तापमान और असामान्य रूप से उच्च उत्सर्जन कोण पर बहुत कम ऊर्जा वाले फोटॉन वितरित करता है। यह प्रकाश नमूने से इलेक्ट्रॉनों को बाहर निकालने के लिए पर्याप्त ऊर्जावान है और एक डिटेक्टर ऊर्जा और उस कोण दोनों को मापता है जिसके साथ इलेक्ट्रॉन सामग्री से बाहर निकलते हैं। इस जानकारी से क्रिस्टल के भीतर की इलेक्ट्रॉनिक संरचना का पुनर्निर्माण किया जा सकता है।

“हमने पीटीबीआई का अध्ययन किया है2 सिंक्रोट्रॉन विकिरण से पहले और ईमानदारी से कहें तो हमें किसी भी असामान्य चीज़ की उम्मीद नहीं थी,'' बोरिसेंको कहते हैं। "अचानक, हालांकि, हम गति अंत ऊर्जा के संदर्भ में एक बहुत तेज, उज्ज्वल और अत्यधिक स्थानीयकृत विशेषता के सामने आए - जैसा कि यह निकला, ठोस पदार्थों से फोटो उत्सर्जन के इतिहास में अब तक का सबसे संकीर्ण शिखर।"

अपने माप में, शोधकर्ताओं ने फर्मी आर्क्स के भीतर एक सुपरकंडक्टिंग ऊर्जा अंतर का उद्घाटन भी देखा। चूँकि केवल इन चापों ने अंतराल के संकेत दिखाए, इसका मतलब यह है कि सुपरकंडक्टिविटी पूरी तरह से नमूने की ऊपरी और निचली सतहों तक ही सीमित है, जिससे एक प्रकार का सुपरकंडक्टर-मेटल-सुपरकंडक्टर सैंडविच बनता है (जैसा कि उल्लेख किया गया है, नमूने का बड़ा हिस्सा धात्विक है)। बोरिसेंको बताते हैं, यह संरचना एक आंतरिक "एसएनएस-जोसेफसन जंक्शन" का प्रतिनिधित्व करती है।

एक ट्यून करने योग्य जोसेफसन जंक्शन

और इतना ही नहीं: क्योंकि PtBi की ऊपरी और निचली सतहें2 अलग-अलग फर्मी आर्क होने पर, दोनों सतहें अलग-अलग संक्रमण तापमान पर अतिचालक बन जाती हैं, जिसका अर्थ है कि सामग्री एक ट्यून करने योग्य जोसेफसन जंक्शन है। ऐसी संरचनाएं संवेदनशील मैग्नेटोमीटर और सुपरकंडक्टिंग क्वैबिट जैसे अनुप्रयोगों के लिए बहुत अधिक संभावनाएं दिखाती हैं।

सिद्धांत रूप में, PtBi2 नामक क्वासिपार्टिकल्स बनाने के लिए भी इस्तेमाल किया जा सकता है मेजराना शून्य मोड, टोपोलॉजिकल सुपरकंडक्टिविटी से आने की भविष्यवाणी की गई है। यदि उन्हें एक प्रयोग में प्रदर्शित किया जाता है, तो उन्हें अगली पीढ़ी के क्वांटम कंप्यूटरों के लिए बेहद स्थिर, दोष-सहिष्णु क्वबिट के रूप में उपयोग किया जा सकता है, बोरिसेंको कहते हैं। "वास्तव में, हम वर्तमान में शुद्ध पीटीबीआई में सुपरकंडक्टिंग गैप में अनिसोट्रॉपी की संभावना की जांच कर रहे हैं2 और इसमें टोपोलॉजिकल सुपरकंडक्टिविटी को साकार करने के तरीके खोजने के लिए सामग्री के संशोधित एकल क्रिस्टल में समान वस्तुओं की खोज करने की कोशिश कर रहे हैं, ”वह बताते हैं भौतिकी की दुनिया.

हालाँकि, मेजराना शून्य मोड का पता लगाना आसान नहीं है, लेकिन PtBi में2 वे तब प्रकट हो सकते हैं जब फर्मी आर्क्स में सुपरकंडक्टिंग अंतराल खुलते हैं। हालांकि, इसकी पुष्टि के लिए सामग्री की इलेक्ट्रॉनिक संरचना के अधिक विस्तृत विश्लेषण की आवश्यकता होगी, बोरिसेंको कहते हैं।

दो चुंबकीय सामग्रियों का संयोजन

एक अलग अध्ययन में, पेन स्टेट यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने एक फेरोमैग्नेटिक टोपोलॉजिकल इंसुलेटर और एक एंटीफेरोमैग्नेटिक आयरन चाकोजेनाइड (FeTe) को एक साथ रखा। उन्होंने दो सामग्रियों के बीच इंटरफेस में मजबूत चिरल सुपरकंडक्टिविटी देखी - कुछ ऐसा जो अप्रत्याशित है क्योंकि सुपरकंडक्टिविटी और फेरोमैग्नेटिज्म आम तौर पर एक-दूसरे के साथ प्रतिस्पर्धा करते हैं, अध्ययन टीम के सदस्य बताते हैं चाओ-जिंग लियू.

"यह वास्तव में काफी दिलचस्प है क्योंकि हमारे पास दो चुंबकीय सामग्रियां हैं जो गैर-सुपरकंडक्टिंग हैं, लेकिन हम उन्हें एक साथ रखते हैं और इन दो यौगिकों के बीच का इंटरफ़ेस बहुत मजबूत सुपरकंडक्टिविटी पैदा करता है," टीम के सदस्य कहते हैं कुई-ज़ू चांग. "आयरन चॉकोजेनाइड एंटीफेरोमैग्नेटिक है, और हम अनुमान लगाते हैं कि उभरती हुई सुपरकंडक्टिविटी को जन्म देने के लिए इंटरफेस के आसपास इसकी एंटीफेरोमैग्नेटिक संपत्ति कमजोर हो गई है, लेकिन यह सच है या नहीं और सुपरकंडक्टिंग तंत्र को स्पष्ट करने के लिए हमें और अधिक प्रयोगों और सैद्धांतिक काम की आवश्यकता है।"

फिर से, सिस्टम, जिसका विवरण इसमें दिया गया है विज्ञानउनका कहना है, मेजराना भौतिकी की खोज के लिए यह एक आशाजनक मंच हो सकता है।

बोरिसेंको का कहना है कि पेन स्टेट के शोधकर्ताओं का डेटा "बहुत दिलचस्प" है और जैसा कि उनके समूह के काम में, लियू, चांग और सहकर्मियों को असामान्य सुपरकंडक्टिविटी का प्रमाण मिला है, भले ही एक अलग प्रकार के इंटरफ़ेस पर। "हमारे काम में, सतह दो सामग्रियों के बजाय बल्क और वैक्यूम के बीच एक इंटरफ़ेस है," वे कहते हैं।

पेन स्टेट के शोधकर्ताओं का लक्ष्य टोपोलॉजिकल सुपरकंडक्टिविटी को साबित करना भी है, लेकिन उन्होंने एक हेटरोस्ट्रक्चर बनाने के लिए प्रासंगिक सामग्रियों को एक साथ लाकर अधिक कृत्रिम तरीके से आवश्यक सामग्री - समरूपता तोड़ना और टोपोलॉजी - को जोड़ा है, वह बताते हैं। "हमारे मामले में, वेइल सेमीमेटल्स की अनूठी प्रकृति के कारण, ये सामग्रियां स्वाभाविक रूप से एक ही सामग्री में मौजूद हैं।"

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