A szupravezetők lehetővé teszik az elektromos áram ellenállás nélküli áthaladását, míg a topológiai szigetelők vékony filmek, mindössze néhány atom vastagságúak, amelyek korlátozzák az elektronok mozgását a széleikig, ami egyedi tulajdonságokat eredményez. Egy kutatócsoport a címen Penn State új módot talált két különleges elektromos tulajdonságokkal rendelkező anyag kombinálására. Módszerük alapja a topológiának kvantum számítógépek amelyek stabilabbak hagyományos társaiknál.
Ebben a tanulmányban a kutatók molekuláris nyaláb epitaxiás technikát alkalmaztak egy topológiai szigetelő szintetizálására és szupravezető filmeket. Ezután létrehoztak egy kétdimenziós heterostruktúrát, amely kiváló platform a topológiai szupravezetés jelenségének feltárására.
A korábbi vizsgálatokban a vékonyrétegek szupravezető képessége a két anyag keverésére jellemzően eltűnik, amint egy topológiai szigetelőréteg alakul ki a tetején. A fizikusok egy topológiai szigetelőlapot adtak egy háromdimenziós „tömeges” szupravezetőhöz, megőrizve mindkét anyag jellemzőit. A topológiai szupravezetők alkalmazásainak, például a kvantumszámítógépekben vagy okostelefonokban lévő alacsony fogyasztású chipeknek azonban kétdimenziósnak kell lenniük.
Ebben a tanulmányban a kutatók egy bizmut-szelenidből (Bi2Se3) készült, különböző vastagságú topológiai szigetelő fóliát helyeztek egy egyrétegű nióbium-diszelenidből (NbSe2) készült szupravezető fóliára, ami kétdimenziós végterméket eredményezett. A heterostruktúrák nagyon alacsonyabb hőmérsékleten történő szintetizálásával a csapat megőrizte topológiai és szupravezető tulajdonságait.
Hemian Yi, a Penn State-i Chang Research Group posztdoktori tudósa és a cikk első szerzője elmondta: "A szupravezetőkben az elektronok "Cooper-párokat" alkotnak, és nulla ellenállással áramolhatnak, de egy erős mágneses tér megtörheti ezeket a párokat."
„Az általunk használt egyrétegű szupravezető film az „Ising-típusú szupravezető képességéről” ismert, ami azt jelenti, hogy a Cooper-párok robusztusak a síkban lévő mágneses mezőkkel szemben. Arra számítunk, hogy a heterostruktúráinkban kialakult topológiai szupravezető fázis ilyen módon robusztus lesz.”
A kutatók felfedezték, hogy a heterostruktúra az Ising-típusú szupravezetésről, ahol az elektron spinje merőleges a filmre, a „Rashba-típusú szupravezetésre”, ahol az elektron spinje párhuzamos a filmmel, a topológiai szigetelő vastagságának finom változtatásával . Ez a jelenség a kutatók elméleti számításaiban és szimulációiban is megfigyelhető.
Ez a heterostruktúra jó platform lehet a Majorana fermionok felfedezéséhez is. Ez a megfoghatatlan részecske jelentősen stabilabbá tenné a topológiai kvantumszámítógépet, mint elődei.
Cui-Zu Chang, Henry W. Knerr pályafutásának kezdeti professzora és a fizika docense, Penn State, mondott, „Ez egy kiváló platform a topológiai szupravezetők feltárására, és reméljük, hogy további munkánk során találunk bizonyítékot a topológiai szupravezetőségre. Amint szilárd bizonyítékokkal rendelkezünk a topológiai szupravezetésre, és bemutatjuk a Majorana fizikát, ez a rendszer adaptálható kvantumszámítási és egyéb alkalmazásokhoz.”
Journal Reference:
- Cui-Zu Chang, Crossover from Ising-Rashba típusú szupravezetés epitaxiális Bi2Se3/monolayer NbSe2 heterostruktúrákban, Természeti anyagok (2022). DOI: 10.1038 / s41563-022-01386-z
