Superkonduktivitas permukaan muncul pada material topologi – Dunia Fisika

Superkonduktivitas permukaan muncul pada material topologi – Dunia Fisika

Stempel Waktu: 20 Februari 2024 11:13

busur superkonduktor pada permukaan semimetal Weyl
Representasi skema/artistik dari busur superkonduktor pada permukaan semimetal Weyl. Atas perkenan: S Borisenko, A Kuibarov dan O Suvorov

Para peneliti di Institut Leibniz untuk Penelitian Bahan dan Benda Padat di IFW Dresden, Jerman, telah menemukan bukti superkonduktivitas permukaan dalam kelas bahan topologi yang dikenal sebagai semimetal Weyl. Menariknya, superkonduktivitas, yang berasal dari elektron yang terkurung dalam busur Fermi, sedikit berbeda pada permukaan atas dan bawah sampel yang diteliti. Fenomena ini dapat digunakan untuk menciptakan keadaan Majorana – partikel kuasi yang telah lama dicari yang dapat membuat bit kuantum yang sangat stabil dan toleran terhadap kesalahan untuk komputer kuantum generasi berikutnya. Sementara itu, kelompok lain di Penn State University di AS telah membuat superkonduktor topologi kiral dengan menggabungkan dua bahan magnetis. Majorana menyatakan mungkin juga ditemukan pada materi baru ini.

Isolator topologi melakukan isolasi dalam jumlah besar tetapi menghantarkan listrik dengan sangat baik pada bagian tepinya melalui keadaan elektronik khusus yang dilindungi secara topologi. Keadaan topologi ini terlindungi dari fluktuasi lingkungannya dan elektron di dalamnya tidak melakukan hamburan balik. Karena hamburan balik adalah proses penghamburan utama dalam elektronik, ini berarti bahwa bahan-bahan ini mungkin digunakan untuk membuat perangkat elektronik yang sangat hemat energi di masa depan.

Semimetal Weyl adalah kelas bahan topologi yang baru ditemukan di mana eksitasi elektronik berperilaku sebagai fermion tak bermassa, Weyl, – pertama kali diprediksi pada tahun 1929 oleh fisikawan teoretis Herman Weyl sebagai solusi persamaan Dirac. Fermion ini berperilaku sangat berbeda terhadap elektron dalam logam atau semikonduktor biasa karena mereka menunjukkan efek magnetik kiral. Hal ini terjadi ketika logam Weyl ditempatkan dalam medan magnet, yang menghasilkan arus partikel Weyl positif dan negatif yang bergerak paralel dan antiparalel dengan medan.

Fermion yang dapat dijelaskan oleh teori Weyl dapat muncul sebagai kuasipartikel dalam padatan yang memiliki pita energi elektron linier yang bersilangan pada apa yang disebut (Weyl) “node”, yang keberadaannya dalam struktur pita sebagian besar pasti disertai dengan pembentukan “Fermi busur” pada struktur pita permukaan yang pada dasarnya menghubungkan pasangan “proyeksi” simpul Weyl dengan kiralitas yang berlawanan. Setiap busur membentuk setengah lingkaran pada permukaan atas sampel yang dilengkapi dengan busur pada permukaan bawah.

Elektron terbatas pada busur Fermi

Dalam studi IFW Dresden, yang dirinci dalam Alam, tim peneliti yang dipimpin oleh Sergei Borisenko mempelajari semimetal platinum-bismut Weyl (PtBi2). Bahan ini mempunyai beberapa elektron yang terbatas pada busur Fermi di permukaannya. Yang terpenting, busur pada permukaan atas dan bawah material ini bersifat superkonduktor, artinya elektron di sana berpasangan dan bergerak tanpa hambatan. Ini adalah pertama kalinya superkonduktivitas diamati pada busur Fermi, dengan sebagian besarnya masih berupa logam, kata para peneliti, dan efek ini mungkin terjadi berkat fakta bahwa busur tersebut terletak dekat dengan permukaan Fermi (batas antara elektron yang terisi dan yang tidak terisi). level) itu sendiri.

Tim memperoleh hasilnya dengan menggunakan teknik yang disebut spektroskopi fotoemisi sudut-resolved (ARPES). Ini adalah eksperimen rumit di mana sumber cahaya laser menghasilkan foton berenergi sangat rendah pada suhu sangat rendah dan sudut emisi yang sangat tinggi, jelas Borisenko. Cahaya ini cukup energik untuk mengeluarkan elektron dari sampel dan detektor mengukur energi dan sudut keluarnya elektron dari material. Struktur elektronik di dalam kristal dapat direkonstruksi dari informasi ini.

“Kami sudah mempelajari PtBi2 sebelumnya dengan radiasi sinkrotron dan sejujurnya kami tidak mengharapkan sesuatu yang aneh,” kata Borisenko. “Namun, tiba-tiba kami menemukan fitur yang sangat tajam, terang, dan sangat terlokalisasi dalam hal momentum akhir energi – yang ternyata merupakan puncak tersempit yang pernah ada dalam sejarah fotoemisi dari benda padat.”

Dalam pengukurannya, para peneliti juga mengamati terbukanya celah energi superkonduktor di dalam busur Fermi. Karena hanya busur ini yang menunjukkan tanda-tanda celah, ini berarti bahwa superkonduktivitas sepenuhnya terbatas pada permukaan atas dan bawah sampel, membentuk semacam sandwich superkonduktor-logam-superkonduktor (sebagian besar sampel bersifat logam seperti yang disebutkan). Struktur ini mewakili “persimpangan SNS-Josephson” yang intrinsik, jelas Borisenko.

Persimpangan Josephson yang bisa disetel

Dan bukan itu saja: karena permukaan atas dan bawah PtBi2 memiliki busur Fermi yang berbeda, kedua permukaan menjadi superkonduktor pada suhu transisi yang berbeda, yang berarti bahwa material tersebut merupakan sambungan Josephson yang dapat disetel. Struktur seperti itu menjanjikan banyak aplikasi seperti magnetometer sensitif dan qubit superkonduktor.

Secara teori, PtBi2 juga dapat digunakan untuk membuat partikel kuasi yang disebut Mode nol Majorana, diperkirakan berasal dari superkonduktivitas topologi. Jika mereka didemonstrasikan dalam sebuah eksperimen, mereka mungkin digunakan sebagai qubit yang sangat stabil dan toleran terhadap kesalahan untuk komputer kuantum generasi berikutnya, kata Borisenko. “Memang benar, kami sedang menyelidiki kemungkinan anisotropi pada celah superkonduktor di PtBi murni.2 dan mencoba menemukan objek serupa dalam kristal tunggal material yang dimodifikasi untuk menemukan cara mewujudkan superkonduktivitas topologi di dalamnya,” katanya. Dunia Fisika.

Mode nol Majorana tidak mudah dideteksi, tetapi di PtBi2 mereka bisa muncul ketika celah superkonduktor terbuka di busur Fermi. Namun, analisis yang lebih rinci mengenai struktur elektronik material akan diperlukan untuk memastikan hal ini, kata Borisenko.

Menggabungkan dua bahan magnetik

Dalam studi terpisah, peneliti Penn State University menyusun isolator topologi feromagnetik dan kalkogenida besi antiferromagnetik (FeTe). Mereka mengamati superkonduktivitas kiral yang kuat pada antarmuka antara kedua material – sesuatu yang tidak terduga karena superkonduktivitas dan feromagnetisme biasanya bersaing satu sama lain, jelas anggota tim peneliti. Chao-Xing Liu.

“Ini sebenarnya cukup menarik karena kami memiliki dua bahan magnetik yang non-superkonduktor, namun kami menggabungkan keduanya dan antarmuka antara kedua senyawa ini menghasilkan superkonduktivitas yang sangat kuat,” kata anggota tim. Cui-Zu Chang. “Besi kalkogenida bersifat antiferromagnetik, dan kami mengantisipasi sifat antiferromagnetiknya melemah di sekitar antarmuka sehingga menimbulkan munculnya superkonduktivitas, namun kami memerlukan lebih banyak eksperimen dan penelitian teoritis untuk memverifikasi apakah ini benar dan untuk memperjelas mekanisme superkonduktor.”

Sekali lagi, sistem, yang dirinci dalam Ilmu, mungkin merupakan platform yang menjanjikan untuk mengeksplorasi fisika Majorana, katanya.

Borisenko mengatakan bahwa data dari para peneliti Penn State “sangat menarik” dan seperti dalam penelitian kelompoknya, Liu, Chang dan rekannya tampaknya telah menemukan bukti superkonduktivitas yang tidak biasa, meskipun pada jenis antarmuka yang berbeda. “Dalam pekerjaan kami, permukaan adalah antarmuka antara sebagian besar dan ruang hampa, bukan antara dua material,” katanya.

Para peneliti Penn State juga bertujuan untuk membuktikan superkonduktivitas topologi tetapi mereka telah menambahkan bahan-bahan yang diperlukan – pemutusan simetri dan topologi – dengan cara yang lebih artifisial dengan menyatukan bahan-bahan yang relevan untuk membentuk heterostruktur, jelasnya. “Dalam kasus kami, karena sifat unik semimetal Weyl, bahan-bahan ini secara alami terdapat dalam satu bahan.”

Stempel Waktu:

Lebih dari Dunia Fisika