La superconduttività superficiale appare nei materiali topologici – Physics World

I ricercatori dell'Istituto Leibniz per la ricerca sullo stato solido e sui materiali dell'IFW Dresden, in Germania, hanno trovato prove della superconduttività superficiale in una classe di materiali topologici noti come semimetalli Weyl. È interessante notare che la superconduttività, che deriva dagli elettroni confinati nei cosiddetti archi di Fermi, è leggermente diversa sulle superfici superiore e inferiore del campione studiato. Il fenomeno potrebbe essere utilizzato per creare stati di Majorana, quasiparticelle a lungo ricercate che potrebbero creare bit quantistici estremamente stabili e tolleranti ai guasti per i computer quantistici di prossima generazione. Nel frattempo, un altro gruppo della Penn State University negli Stati Uniti ha fabbricato un superconduttore topologico chirale combinando due materiali magnetici. In questo nuovo materiale si potrebbero trovare anche gli stati di Majorana.

Gli isolanti topologici isolano nel complesso, ma conducono l'elettricità molto bene ai loro bordi attraverso stati elettronici speciali, topologicamente protetti. Questi stati topologici sono protetti dalle fluttuazioni nel loro ambiente e gli elettroni in essi contenuti non si retrodiffondono. Poiché la retrodiffusione è il principale processo di dissipazione in elettronica, ciò significa che questi materiali potrebbero essere utilizzati in futuro per realizzare dispositivi elettronici ad alta efficienza energetica.

I semimetalli di Weyl sono una classe di materiali topologici scoperta di recente in cui le eccitazioni elettroniche si comportano come fermioni di Weyl senza massa, previsti per la prima volta nel 1929 dal fisico teorico Herman Weyl come soluzione dell'equazione di Dirac. Questi fermioni si comportano in modo abbastanza diverso dagli elettroni dei normali metalli o semiconduttori in quanto mostrano l'effetto magnetico chirale. Ciò si verifica quando un metallo Weyl viene posto in un campo magnetico, che genera una corrente di particelle Weyl positive e negative che si muovono parallelamente e antiparallelamente al campo.

I fermioni che possono essere descritti dalla teoria di Weyl possono apparire come quasiparticelle nei solidi che hanno bande lineari di energia elettronica che si incrociano nei cosiddetti "nodi" (di Weyl), la cui esistenza nella struttura a bande di massa è inevitabilmente accompagnata dalla formazione di "Fermi archi” sulla struttura a bande superficiali che sostanzialmente collegano coppie di “proiezioni” di nodi Weyl di chiralità opposta. Ciascun arco forma metà di un anello sulla superficie superiore di un campione completato da un arco sulla superficie inferiore.

Elettroni confinati negli archi di Fermi

Nello studio dell’IFW Dresden, dettagliato in Natura, un team di ricercatori guidati da Sergej Borisenko ha studiato il semimetallo Weyl platino-bismuto (PtBi₂). Questo materiale ha alcuni elettroni confinati negli archi di Fermi sulla sua superficie. Fondamentalmente, gli archi sulle superfici superiore e inferiore di questo materiale sono superconduttori, il che significa che gli elettroni si accoppiano e si muovono senza resistenza. Questa è la prima volta che la superconduttività è stata osservata negli archi di Fermi, con la maggior parte rimasta metallica, dicono i ricercatori, e l'effetto è possibile grazie al fatto che gli archi si trovano vicino alla superficie di Fermi (il confine tra elettroni occupati e non occupati livelli) stesso.

Il team ha ottenuto i risultati utilizzando una tecnica chiamata spettroscopia di fotoemissione risolta in angolo (ARPES). Si tratta di un esperimento complicato in cui una sorgente di luce laser fornisce fotoni a bassissima energia a temperature molto basse e ad angoli di emissione insolitamente elevati, spiega Borisenko. Questa luce è sufficientemente energetica da espellere gli elettroni dal campione e un rilevatore misura sia l'energia che l'angolo con cui gli elettroni escono dal materiale. La struttura elettronica all'interno del cristallo può essere ricostruita da queste informazioni.

“Abbiamo studiato PtBi₂ prima con la radiazione di sincrotrone e, a dire il vero, non ci aspettavamo nulla di insolito", afferma Borisenko. “All’improvviso, però, ci siamo imbattuti in una caratteristica molto nitida, luminosa e altamente localizzata in termini di energia finale della quantità di moto – come si è scoperto, il picco più stretto mai registrato nella storia della fotoemissione dai solidi”.

Nelle loro misurazioni, i ricercatori hanno anche osservato l’apertura di un gap energetico superconduttore all’interno degli archi di Fermi. Poiché solo questi archi mostrano segni di gap, ciò significa che la superconduttività è interamente confinata alle superfici superiore e inferiore del campione, formando una sorta di sandwich superconduttore-metallo-superconduttore (la maggior parte del campione è metallica, come accennato). Questa struttura rappresenta una “giunzione SNS-Josephson” intrinseca, spiega Borisenko.

Una giunzione Josephson sintonizzabile

E non è tutto: perché le superfici superiore e inferiore di PtBi₂ hanno archi di Fermi distinti, le due superfici diventano superconduttrici a diverse temperature di transizione, il che significa che il materiale è una giunzione Josephson sintonizzabile. Tali strutture sono molto promettenti per applicazioni come magnetometri sensibili e qubit superconduttori.

In teoria, PtBi₂ potrebbe anche essere usato per creare quasiparticelle chiamate Modi zero di Majorana, che si prevede provenga dalla superconduttività topologica. Se dimostrati in un esperimento, potrebbero essere utilizzati come qubit estremamente stabili e tolleranti ai guasti per i computer quantistici di prossima generazione, afferma Borisenko. “In effetti, stiamo attualmente studiando la possibilità di anisotropia nel gap superconduttore nel PtBi puro₂ e cercando di scoprire oggetti simili nei singoli cristalli modificati del materiale per trovare modi per realizzare la superconduttività topologica in esso", dice Mondo della fisica.

Tuttavia, i modi zero di Majorana non sono facili da rilevare, tranne che nel PtBi₂ potrebbero apparire quando si aprono i varchi superconduttori negli archi di Fermi. Per confermarlo saranno però necessarie analisi molto più dettagliate della struttura elettronica del materiale, dice Borisenko.

Combinazione di due materiali magnetici

In uno studio separato, i ricercatori della Penn State University hanno messo insieme un isolante topologico ferromagnetico e un calcogenuro di ferro antiferromagnetico (FeTe). Hanno osservato una robusta superconduttività chirale all’interfaccia tra i due materiali – qualcosa di inaspettato poiché la superconduttività e il ferromagnetismo normalmente competono tra loro, spiega un membro del team di studio Chao-Xing Liu.

"In realtà è piuttosto interessante perché abbiamo due materiali magnetici non superconduttori, ma li mettiamo insieme e l'interfaccia tra questi due composti produce una superconduttività molto robusta", afferma un membro del team Cui-Zu Chang. “Il calcogenuro di ferro è antiferromagnetico e prevediamo che la sua proprietà antiferromagnetica venga indebolita attorno all’interfaccia per dare origine alla superconduttività emergente, ma abbiamo bisogno di più esperimenti e lavoro teorico per verificare se questo è vero e per chiarire il meccanismo superconduttore”.

Gli anelli di Weyl si collegano

Ancora una volta, il sistema, che è dettagliato in Scienze, potrebbe essere una piattaforma promettente per esplorare la fisica di Majorana, dice.

Borisenko afferma che i dati dei ricercatori della Penn State sono “molto interessanti” e, come nel lavoro del suo gruppo, Liu, Chang e colleghi sembrano aver trovato prove di superconduttività insolita, anche se su un diverso tipo di interfaccia. "Nel nostro lavoro, la superficie è un'interfaccia tra la massa e il vuoto piuttosto che tra due materiali", afferma.

I ricercatori della Penn State mirano anche a dimostrare la superconduttività topologica, ma hanno aggiunto gli ingredienti necessari – rottura della simmetria e topologia – in un modo più artificiale riunendo i materiali rilevanti per formare un'eterostruttura, spiega. “Nel nostro caso, data la natura unica dei semimetalli Weyl, questi ingredienti sono naturalmente presenti in un unico materiale”.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/surface-superconductivity-appears-in-topological-materials/