מוליכות על פני השטח מופיעה בחומרים טופולוגיים - עולם הפיזיקה

מוליכות על פני השטח מופיעה בחומרים טופולוגיים - עולם הפיזיקה

חותמת זמן: 20 בפברואר 2024 11:13

קשתות מוליכות על פני השטח של חצי המתכת Weyl
ייצוג סכמטי/אמנותי של הקשתות המוליכות על פני השטח של חצי המתכת Weyl. באדיבות: S Borisenko, A Kuibarov ו-O Suvorov

חוקרים במכון לייבניץ לחקר מצב מוצק וחומרים ב-IFW דרזדן, גרמניה, מצאו הוכחה למוליכות-על פני השטח בסוג של חומרים טופולוגיים הידועים כ-Weyl semimetals. מעניין לציין שמוליכות העל, שמגיעה מאלקטרונים הכלואים במה שנקרא קשתות פרמי, שונה במקצת במשטחים העליונים והתחתונים של המדגם שנחקר. התופעה יכולה לשמש ליצירת מצבי מיורנה - קוואזי-חלקיקים מבוקשים מאוד שיכולים ליצור ביטים קוונטיים יציבים במיוחד וסובלני תקלות עבור מחשבים קוונטיים מהדור הבא. בינתיים, קבוצה אחרת באוניברסיטת פן סטייט בארה"ב ייצרה מוליך-על טופולוגי כיראלי על ידי שילוב של שני חומרים מגנטיים. מדינות מיורנה עשויות להימצא גם בחומר החדש הזה.

מבודדים טופולוגיים מבודדים ברובם, אך מוליכים חשמל טוב מאוד בקצוותיהם באמצעות מצבים אלקטרוניים מיוחדים, מוגנים טופולוגית. מצבים טופולוגיים אלו מוגנים מפני תנודות בסביבתם והאלקטרונים בהם אינם מתפזרים לאחור. מכיוון שפיזור לאחור הוא תהליך הפיזור העיקרי באלקטרוניקה, פירוש הדבר שחומרים אלה עשויים לשמש לייצור מכשירים אלקטרוניים חסכוניים באנרגיה בעתיד.

סמי מתכות של Weyl הם מחלקה שהתגלתה לאחרונה של חומרים טופולוגיים, שבהם עירורים אלקטרוניים מתנהגים כפרמיונים חסרי מסה, ווייל, - שנחזה לראשונה בשנת 1929 על ידי הפיזיקאי התיאורטי הרמן וויל כפתרון של משוואת דיראק. פרמיונים אלה מתנהגים בצורה שונה למדי מאלקטרונים במתכות רגילות או מוליכים למחצה בכך שהם מראים את האפקט המגנטי הכירי. זה מתרחש כאשר מתכת Weyl מונחת בשדה מגנטי, אשר יוצר זרם של חלקיקי Weyl חיוביים ושליליים הנעים במקביל ואנטי מקבילים לשדה.

פרמיונים שניתן לתאר על ידי התיאוריה של וויל יכולים להופיע כקוואזי-חלקיקים במוצקים שיש להם פסי אנרגיית אלקטרונים ליניאריים שחוצים במה שנקרא "צמתים" (Weyl), אשר קיומם במבנה הרצועה בתפזורת מלווה בהכרח ביצירת "Fermi". קשתות" על מבנה פס פני השטח המחברים בעצם זוגות של "הקרנות" של צמתים וייל בעלי כיראליות הפוכה. כל קשת יוצרת חצי לולאה על המשטח העליון של דגימה שהושלמה על ידי קשת על המשטח התחתון.

אלקטרונים מוגבלים לקשתות פרמי

במחקר של IFW דרזדן, המפורט ב טבע, צוות חוקרים בראשות סרגיי בוריסנקו חקר את ה-Weyl פלטינה-ביסמוט למחצה (PtBi2). לחומר זה יש כמה אלקטרונים מוגבלים לקשתות פרמי על פני השטח שלו. באופן מכריע, הקשתות על המשטחים העליונים והתחתונים של החומר הזה הן מוליכות-על, כלומר האלקטרונים שם מזדווגים ונעים ללא התנגדות. זו הפעם הראשונה שנצפתה מוליכות-על בקשתות פרמי, כאשר חלק הארי נשאר מתכתי, אומרים החוקרים, וההשפעה מתאפשרת הודות לעובדה שהקשתות שוכנות קרוב לפני השטח של הפרמי (הגבול בין אלקטרונים תפוסים ללא תפוסים רמות) עצמה.

הצוות השיג את התוצאה שלו באמצעות טכניקה הנקראת ספקטרוסקופיה של פוטו-פליטה עם פתרון זווית (ARPES). זהו ניסוי מסובך שבו מקור אור לייזר מספק פוטונים בעלי אנרגיה נמוכה מאוד בטמפרטורות נמוכות מאוד ובזוויות פליטה גבוהות מהרגיל, מסביר בוריסנקו. האור הזה הוא אנרגטי מספיק כדי לבעוט אלקטרונים מהדגימה וגלאי מודד גם את האנרגיה וגם את הזווית שבה אלקטרונים יוצאים מהחומר. ניתן לשחזר את המבנה האלקטרוני בתוך הגביש ממידע זה.

"למדנו PtBi2 בעבר עם קרינת סינכרוטרונים ולמען האמת לא ציפינו לשום דבר חריג", אומר בוריסנקו. "לפתע, לעומת זאת, נתקלנו בתכונה חדה מאוד, בהירה ומאוד מקומית במונחים של אנרגיית סוף המומנטום - כפי שהתברר, הפסגה הצרה ביותר אי פעם בהיסטוריה של פליטת פוטו ממוצקים."

במדידות שלהם, החוקרים צפו גם בפתח של פער אנרגיה מוליך-על בתוך קשתות הפרמי. מכיוון שרק קשתות אלו הראו סימני פער, משמעות הדבר היא שמוליכות העל מוגבלת לחלוטין למשטחים העליונים והתחתונים של המדגם, ויוצרות מעין סנדוויץ' של מוליך-על-מתכת-מוליך-על (חלק הארי של המדגם הוא מתכתי כאמור). מבנה זה מייצג "צומת SNS-Josephson" מהותי", מסביר בוריסנקו.

צומת ג'וזפסון מתכוונן

וזה לא הכל: כי המשטח העליון והתחתון של PtBi2 יש קשתות פרמי ברורות, שני המשטחים הופכים למוליכים-על בטמפרטורות מעבר שונות, כלומר החומר הוא צומת ג'וזפסון הניתן לכיוון. מבנים כאלה מראים הבטחה רבה ליישומים כמו מגנומטרים רגישים וקיוביטים מוליכים-על.

בתיאוריה, PtBi2 יכול לשמש גם ליצירת קוואזי-חלקיקים הנקראים מצבי אפס מיורנה, שצפוי להגיע ממוליכות-על טופולוגית. אם הם יודגמו בניסוי, הם עשויים לשמש כקיוביטים יציבים במיוחד וסובלני תקלות עבור מחשבים קוונטיים מהדור הבא, אומר בוריסנקו. "אכן, אנו חוקרים כעת את האפשרות של אניזוטרופיה בפער המוליכי-על ב-PtBi טהור2 ולנסות לגלות עצמים דומים בגבישים בודדים של החומר כדי למצוא דרכים לממש בו מוליכות-על טופולוגית", הוא אומר. עולם הפיזיקה.

עם זאת, לא קל לזהות מצבי Majorana Zero, אלא ב-PtBi2 הם יכולים להופיע כאשר הפערים המוליכים נפתחים בקשתות הפרמי. עם זאת, יהיה צורך בניתוחים מפורטים הרבה יותר של המבנה האלקטרוני של החומר כדי לאשר זאת, אומר בוריסנקו.

שילוב שני חומרים מגנטיים

במחקר נפרד, חוקרים מאוניברסיטת פן סטייט ערמו יחד מבודד טופולוגי פרומגנטי ו-כלקוגניד ברזל אנטי-פרומגנטי (FeTe). הם הבחינו במוליכות כיראלית חזקה בממשק בין שני החומרים - דבר שהוא בלתי צפוי מכיוון שמוליכות-על ופרומגנטיות בדרך כלל מתחרים זה בזה, מסביר חבר צוות המחקר צ'או-שינג ליו.

"למעשה זה די מעניין כי יש לנו שני חומרים מגנטיים שאינם מוליכים-על, אבל אנחנו מחברים אותם יחד והממשק בין שתי התרכובות הללו מייצר מוליכות-על חזקה מאוד", אומר חבר צוות קוי-זו צ'אנג. "כלקוגניד ברזל הוא אנטי-פרומגנטי, ואנו צופים שהתכונה האנטי-פרומגנטית שלו נחלשת סביב הממשק כדי להוליד את מוליכות-העל המתהווה, אבל אנחנו צריכים עוד ניסויים ועבודה תיאורטית כדי לוודא אם זה נכון ולהבהיר את מנגנון המוליכות העל".

שוב, המערכת, המפורטת ב מדע, עשוי להיות פלטפורמה מבטיחה לחקר הפיזיקה של Majorana, הוא אומר.

בוריסנקו אומר שהנתונים של חוקרי פן סטייט "מעניינים מאוד" וכמו בעבודת הקבוצה שלו, נראה כי ליו, צ'אנג ועמיתיו מצאו עדויות למוליכות-על יוצאת דופן, אם כי בממשק מסוג אחר. "בעבודה שלנו, המשטח הוא ממשק בין התפזורת לוואקום ולא בין שני חומרים", הוא אומר.

החוקרים של פן סטייט שואפים גם להוכיח מוליכות-על טופולוגית, אבל הם הוסיפו את המרכיבים הדרושים - שבירת סימטריה וטופולוגיה - בצורה מלאכותית יותר על ידי חיבור החומרים הרלוונטיים ליצירת הטרומבנה, הוא מסביר. "במקרה שלנו, בשל האופי הייחודי של חצי מתכת Weyl, המרכיבים הללו נמצאים באופן טבעי בחומר אחד."

בול זמן:

עוד מ עולם הפיזיקה