I superconduttori consentono alla corrente elettrica di passare senza resistenza, mentre gli isolanti topologici sono pellicole sottili spesse solo pochi atomi che limitano il movimento degli elettroni ai loro bordi, risultando in proprietà uniche. Un gruppo di ricerca presso Penn State ha trovato un nuovo modo di combinare due materiali con proprietà elettriche speciali. Il loro metodo offre la base per la topologia computer quantistici che sono più stabili delle loro controparti tradizionali.
I ricercatori di questo studio hanno utilizzato una tecnica di epitassia a fascio molecolare per sintetizzare un isolante topologico e superconduttore film. Hanno poi creato un'eterostruttura bidimensionale che costituisce un'eccellente piattaforma per esplorare il fenomeno della superconduttività topologica.
La superconduttività nei film sottili negli studi precedenti per mescolare i due materiali in genere svanisce una volta sviluppato uno strato isolante topologico. I fisici hanno aggiunto un foglio isolante topologico a un superconduttore tridimensionale, preservando le caratteristiche di entrambi i materiali. Tuttavia, le applicazioni dei superconduttori topologici, come i chip a basso consumo energetico all’interno di computer quantistici o smartphone, dovrebbero essere bidimensionali.
In questo studio, i ricercatori hanno impilato un film isolante topologico fatto di seleniuro di bismuto (Bi2Se3) con diversi spessori su un film superconduttore fatto di diseleniuro di niobio monostrato (NbSe2), ottenendo un prodotto finale bidimensionale. Sintetizzando le eterostrutture a una temperatura molto più bassa, il team ha mantenuto le proprietà topologiche e superconduttrici.
Hemian Yi, uno studioso post-dottorato del Chang Research Group della Penn State e primo autore dell'articolo, ha affermato: "Nei superconduttori, gli elettroni formano 'coppie di Cooper' e possono fluire con resistenza pari a zero, ma un forte campo magnetico può rompere quelle coppie."
“La pellicola superconduttrice monostrato che abbiamo utilizzato è nota per la sua 'superconduttività di tipo Ising', il che significa che le coppie di Cooper sono resistenti ai campi magnetici nel piano. Ci aspettiamo che la fase superconduttiva topologica formata nelle nostre eterostrutture sia robusta in questo modo”.
I ricercatori hanno scoperto che l’eterostruttura è cambiata dalla superconduttività di tipo Ising, dove lo spin dell’elettrone è perpendicolare alla pellicola, alla “superconduttività di tipo Rashba”, dove lo spin dell’elettrone è parallelo alla pellicola, modificando leggermente lo spessore dell’isolante topologico. . Questo fenomeno si osserva anche nei calcoli teorici e nelle simulazioni dei ricercatori.
Questa eterostruttura potrebbe anche essere una buona piattaforma per esplorare i fermioni di Majorana. Questa particella sfuggente renderebbe significativamente un computer quantistico topologico più stabile rispetto ai suoi predecessori.
Cui-Zu Chang, professore alla prima carriera di Henry W. Knerr e professore associato di fisica alla Penn State, disse, “Si tratta di un’eccellente piattaforma per l’esplorazione dei superconduttori topologici e speriamo di trovare prove della superconduttività topologica nel nostro lavoro continuo. Una volta che avremo prove concrete della superconduttività topologica e dimostreremo la fisica di Majorana, questo sistema potrebbe essere adattato per l’informatica quantistica e altre applicazioni”.
Riferimento della Gazzetta:
- Cui-Zu Chang, Crossover dalla superconduttività di tipo Ising a Rashba in eterostrutture epitassiali Bi2Se3/monostrato NbSe2, Nature Materials (2022). DOI: 10.1038 / s41563-022-01386-z
