A felszíni szupravezetés a topológiai anyagokban jelenik meg – Fizika Világ

A drezdai IFW Leibniz Szilárdtest- és Anyagkutató Intézet kutatói bizonyítékot találtak a felületi szupravezetésre a Weyl-félfémek néven ismert topológiai anyagok osztályában. Érdekes módon az úgynevezett Fermi-ívekbe zárt elektronokból származó szupravezetés kissé eltér a vizsgált minta felső és alsó felületén. A jelenség felhasználható Majorana állapotok létrehozására – olyan régóta keresett kvázirészecskék létrehozására, amelyek rendkívül stabil, hibatűrő kvantumbiteket hozhatnak létre a következő generációs kvantumszámítógépek számára. Eközben az egyesült államokbeli Penn State Egyetem másik csoportja királis topológiai szupravezetőt állított elő két mágneses anyag kombinálásával. Majorana állapotok is megtalálhatók ebben az új anyagban.

A topológiai szigetelők nagyrészt szigetelnek, de széleiken speciális, topológiailag védett elektronikus állapotokon keresztül rendkívül jól vezetik az elektromosságot. Ezek a topológiai állapotok védettek a környezetük ingadozásaival szemben, és a bennük lévő elektronok nem szóródnak vissza. Mivel az elektronikában a visszaszórás a fő disszipációs folyamat, ez azt jelenti, hogy ezeket az anyagokat a jövőben nagy energiahatékonyságú elektronikai eszközök előállítására használhatják fel.

A Weyl-félfémek a topológiai anyagok egy nemrégiben felfedezett osztálya, amelyben az elektronikus gerjesztés tömeg nélküli, Weyl-fermionként viselkedik – először Herman Weyl elméleti fizikus jósolta meg 1929-ben a Dirac-egyenlet megoldásaként. Ezek a fermionok egészen másképpen viselkednek, mint a közönséges fémekben vagy félvezetőkben lévő elektronok, mivel királis mágneses hatást mutatnak. Ez akkor fordul elő, amikor egy Weyl-fémet mágneses mezőbe helyeznek, amely pozitív és negatív Weyl-részecskék áramát hoz létre, amelyek párhuzamosan és ellentétes irányban mozognak a mezővel.

A Weyl-féle elmélettel leírható fermionok kvázirészecskékként jelenhetnek meg szilárd testekben, amelyek lineáris elektronenergia-sávokkal keresztezik az úgynevezett (Weyl-) „csomópontokat”, amelyek létezése a tömeges sávszerkezetben elkerülhetetlenül együtt jár a „Fermi” képződésével. ívek” a felületi sávszerkezeten, amelyek alapvetően ellentétes kiralitású Weyl-csomópontok „vetületpárjait” kötik össze. Mindegyik ív egy hurok felét alkotja a minta felső felületén, amelyet egy ív egészít ki az alsó felületen.

Fermi-ívekre korlátozódó elektronok

Az IFW Dresden tanulmányában, amelyet részletesen a Természetáltal vezetett kutatócsoport Szergej Boriszenko tanulmányozta a Weyl félfém platina-bizmutot (PtBi₂). Ennek az anyagnak a felületén van néhány elektron, amely Fermi-ívekre korlátozódik. Lényeges, hogy ennek az anyagnak a felső és alsó felületén lévő ívek szupravezetők, ami azt jelenti, hogy az ott lévő elektronok párosulnak és ellenállás nélkül mozognak. A kutatók szerint ez az első alkalom, hogy szupravezetést figyeltek meg Fermi-ívekben, a zömük fémes marad, és a hatás annak köszönhető, hogy az ívek a Fermi-felülethez (a foglalt és a nem foglalt elektronok határához) közel fekszenek. szintek) magát.

A csapat az eredményt a szögfelbontású fotoemissziós spektroszkópia (ARPES) nevű technikával érte el. Ez egy bonyolult kísérlet, amelyben egy lézerfényforrás nagyon alacsony energiájú fotonokat bocsát ki nagyon alacsony hőmérsékleten és szokatlanul nagy emissziós szögeken – magyarázza Borisenko. Ez a fény elég energikus ahhoz, hogy kirúgja az elektronokat a mintából, és egy detektor méri az energiát és azt a szöget, amellyel az elektronok kilépnek az anyagból. Ebből az információból rekonstruálható a kristályon belüli elektronikus szerkezet.

„Tanulmányoztuk a PtBi-t₂ korábban szinkrotronsugárzással, és őszintén szólva semmi szokatlanra nem számítottunk” – mondja Borisenko. „Hirtelen azonban egy nagyon éles, fényes és erősen lokalizált jellemzőre bukkantunk a lendület végenergiája tekintetében – mint kiderült, ez a legkeskenyebb csúcs a szilárd anyagok fotoemissziójának történetében.”

A kutatók méréseik során egy szupravezető energiarés megnyílását is megfigyelték a Fermi-íveken belül. Mivel csak ezek az ívek mutattak rés jeleit, ez azt jelenti, hogy a szupravezetés teljes mértékben a minta felső és alsó felületére korlátozódik, egyfajta szupravezető-fém-szupravezető szendvicset alkotva (a minta nagy része fémes, mint említettük). Ez a szerkezet egy belső „SNS-Josephson csomópontot” képvisel – magyarázza Borisenko.

Hangolható Josephson csomópont

És ez még nem minden: mert a PtBi felső és alsó felülete₂ Különböző Fermi-ívekkel rendelkezik, a két felület eltérő átmeneti hőmérsékleten válik szupravezetővé, ami azt jelenti, hogy az anyag hangolható Josephson-átmenet. Az ilyen struktúrák sok ígéretet mutatnak az olyan alkalmazásokban, mint az érzékeny magnetométerek és a szupravezető qubitek.

Elméletileg a PtBi₂ ún. kvázirészecskék létrehozására is használható Majorana nulla üzemmódok, az előrejelzések szerint a topológiai szupravezetésből származik. Ha egy kísérletben demonstrálják őket, rendkívül stabil, hibatűrő qubitként használhatók fel a következő generációs kvantumszámítógépekhez, mondja Borisenko. „Valóban, jelenleg vizsgáljuk az anizotrópia lehetőségét a tiszta PtBi szupravezető résében₂ és hasonló objektumokat próbál felfedezni az anyag módosított egykristályaiban, hogy megtalálja a módját a topológiai szupravezetés megvalósításának” – mondja. Fizika Világa.

A Majorana nulla üzemmódokat azonban nem könnyű felismerni, de a PtBi-ben₂ akkor jelenhetnek meg, amikor a szupravezető rések megnyílnak a Fermi-ívekben. Ennek megerősítéséhez azonban az anyag elektronikus szerkezetének sokkal részletesebb elemzésére lesz szükség – mondja Borisenko.

Két mágneses anyag kombinálása

Egy külön tanulmányban a Penn State Egyetem kutatói egy ferromágneses topológiai szigetelőt és egy antiferromágneses vaskalkogenidet (FeTe) raktak össze. Robusztus királis szupravezetést figyeltek meg a két anyag határfelületén – ami váratlan, mivel a szupravezetés és a ferromágnesesség általában versenyez egymással – magyarázza a kutatócsoport tagja. Chao-Xing Liu.

"Ez valójában nagyon érdekes, mert van két mágneses anyagunk, amelyek nem szupravezetők, de összerakjuk őket, és a két vegyület közötti interfész nagyon erős szupravezetést eredményez" - mondja a csapat tagja. Cui-Zu Chang. „A vaskalkogenid antiferromágneses, és azt várjuk, hogy az antiferromágneses tulajdonsága gyengül a határfelület körül, hogy kialakuljon a szupravezetés, de további kísérletekre és elméleti munkára van szükség, hogy ellenőrizzük, ez igaz-e, és tisztázzuk a szupravezető mechanizmust.”

Weyl hurkok kapcsolódnak össze

Ismét a rendszer, amelyet részletesen a Tudomány, ígéretes platform lehet Majorana fizika felfedezéséhez, mondja.

Borisenko azt mondja, hogy a Penn State kutatóitól származó adatok „nagyon érdekesek”, és ahogyan csoportja munkájában, úgy tűnik, Liu, Chang és munkatársai szokatlan szupravezetésre bukkantak, bár más típusú interfészen. „Munkánkban a felület az ömlesztett anyag és a vákuum közötti interfész, nem pedig két anyag között” – mondja.

A Penn State kutatói a topológiai szupravezetés bizonyítására is törekednek, de a szükséges összetevőket – a szimmetriatörést és a topológiát – mesterségesebb módon adták hozzá, a releváns anyagokat heterostruktúrává hozva össze – magyarázza. „A mi esetünkben a Weyl félfémek egyedi természete miatt ezek az összetevők természetesen egyetlen anyagban vannak jelen.”

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/surface-superconductivity-appears-in-topological-materials/