מוליכים מאפשרים לזרם החשמלי לעבור ללא התנגדות, בעוד מבודדים טופולוגיים הם סרטים דקים בעובי אטומים ספורים בלבד המגבילים את תנועת האלקטרונים לקצוותיהם, וכתוצאה מכך מאפיינים ייחודיים. צוות מחקר ב פן סטייט מצאה דרך חדשה לשלב שני חומרים בעלי תכונות חשמליות מיוחדות. השיטה שלהם מציעה את הבסיס לטופולוגי מחשבים קוונטיים שהם יציבים יותר מעמיתיהם המסורתיים.
חוקרים במחקר זה השתמשו בטכניקת אפיטה של קרן מולקולרית כדי לסנתז מבודד טופולוגי מוליך-על סרטים. לאחר מכן הם יצרו מבנה הטרו-מימדי המהווה פלטפורמה מצוינת לחקור את תופעת מוליכות-על טופולוגית.
מוליכות העל בסרטים דקים במחקרים קודמים לערבוב שני החומרים נעלמת בדרך כלל ברגע שמפתחים שכבת בידוד טופולוגית למעלה. יריעת בידוד טופולוגית נוספה למוליך-על תלת-ממדי "בתפזורת" על ידי פיזיקאים, תוך שמירה על מאפייני שני החומרים. עם זאת, יישומים עבור מוליכים טופולוגיים, כגון שבבים עם צריכת חשמל נמוכה בתוך מחשבים קוונטיים או סמארטפונים, יצטרכו להיות דו מימדיים.
במחקר זה, החוקרים ערמו סרט מבודד טופולוגי עשוי ביסמוט סלניד (Bi2Se3) בעובי שונה על סרט מוליך-על העשוי מניוביום דיסלניד חד-שכבתי (NbSe2), וכתוצאה מכך תוצר סופי דו-ממדי. על ידי סינתזה של ההטרו-מבנים בטמפרטורה נמוכה מאוד, הצוות שמר על התכונות הטופולוגיות והעל-מוליכות.
Hemian Yi, פוסט-דוקטורט בקבוצת המחקר של צ'אנג בפן סטייט והמחבר הראשון של המאמר, אמר: "במוליכים, אלקטרונים יוצרים 'זוגות קופר' ויכולים לזרום בהתנגדות אפסית, אבל שדה מגנטי חזק יכול לשבור את הזוגות האלה."
"סרט מוליכי העל החד-שכבתי בו השתמשנו ידוע ב'מוליכות-העל מסוג Ising', מה שאומר שצמדי הקופר חזקים כנגד השדות המגנטיים במישור. אנו מצפים ששלב המוליכות העל הטופולוגי שנוצר במבנים ההטרו-מבנים שלנו יהיה חזק בדרך זו."
החוקרים גילו שהמבנה ההטרו השתנה ממוליכות-על מסוג Ising, שבה ספין האלקטרונים ניצב לסרט, ל"מוליכות-על מסוג רשב"א, שבה ספין האלקטרונים מקביל לסרט, על-ידי שינוי עדין של עובי המבודד הטופולוגי. . תופעה זו נצפית גם בחישובים ובסימולציות התיאורטיות של החוקרים.
הטרומבנה זה יכול להיות גם פלטפורמה טובה לחקר פרמיוני מיורנה. החלקיק החמקמק הזה יהפוך באופן משמעותי מחשב קוונטי טופולוגי ליציב יותר מקודמיו.
קוי-זו צ'אנג, הנרי וו. קנר פרופסור לקריירה מוקדמת ופרופסור חבר לפיזיקה בפן סטייט, אמר, "זוהי פלטפורמה מצוינת לחקר מוליכים טופולוגיים, ואנו מקווים כי נמצא עדות למוליכות-על טופולוגית בעבודה המתמשכת שלנו. ברגע שיש לנו עדויות מוצקות למוליכות-על טופולוגית ונדגים את הפיזיקה של Majorana, המערכת הזו יכולה להיות מותאמת למחשוב קוונטי ויישומים אחרים."
עיון ביומן:
- Cui-Zu Chang, הצלבה ממוליכות-על מסוג Ising ל-Rashba בהטרו-מבנים אפיטקסיאליים של Bi2Se3/חד-שכבה NbSe2, חומרי טבע (2022). DOI: 10.1038 / s41563-022-01386-z
