表面超伝導はトポロジカル物質に現れる – Physics World

ドイツのIFWドレスデンにあるライプニッツ固体材料研究所の研究者らは、ワイル半金属として知られるトポロジカル材料の一種における表面超伝導の証拠を発見した。興味深いことに、いわゆるフェルミアークに閉じ込められた電子から生じる超伝導は、研究したサンプルの上面と底面でわずかに異なります。この現象は、次世代量子コンピューター用の非常に安定したフォールトトレラントな量子ビットを作ることができる、長年探し求められていた準粒子であるマヨラナ状態の生成に利用できる可能性がある。一方、米国ペンシルベニア州立大学の別のグループは、2つの磁性材料を組み合わせてキラルなトポロジカル超伝導体を作製した。マヨラナ州もこの新しい資料で見つかる可能性があります。

トポロジカル絶縁体は、バルクでは絶縁性ですが、特殊なトポロジカルに保護された電子状態を介して、エッジで非常によく電気を伝導します。これらのトポロジカル状態は環境の変動から保護されており、その中の電子は後方散乱しません。後方散乱はエレクトロニクスにおける主な散乱プロセスであるため、将来的にはこれらの材料がエネルギー効率の高い電子デバイスの製造に使用される可能性があることを意味します。

ワイル半金属は、電子励起が質量のないワイルフェルミ粒子として振る舞う、最近発見されたトポロジカル物質の一種であり、1929 年に理論物理学者ヘルマン ワイルによってディラック方程式の解として初めて予測されました。これらのフェルミ粒子は、キラル磁気効果を示すという点で、通常の金属や半導体内の電子とはまったく異なる動作をします。これは、ワイル金属が磁場の中に置かれると発生し、磁場に対して平行および逆平行に移動する正および負のワイル粒子の電流が生成されます。

ワイル理論で記述できるフェルミ粒子は、いわゆる（ワイル）「ノード」で交差する線形電子エネルギーバンドを持つ固体中で準粒子として現れることがあり、そのバルクバンド構造における存在には必然的に「フェルミ」の形成が伴います。表面バンド構造上の「アーク」は、基本的に反対のキラリティーのワイル節の「投影」のペアを接続します。各円弧はサンプルの上面のループの半分を形成し、底面の円弧によって完成します。

フェルミアークに閉じ込められた電子

IFW ドレスデンの研究では、以下で詳しく説明されています。 自然、が率いる研究者チーム セルゲイ・ボリセンコ ワイル半金属白金ビスマス (PtBi) を研究しました。₂）。この物質には、表面上のフェルミ アークに閉じ込められた電子がいくつかあります。重要なのは、この材料の上面と下面のアークが超伝導であることです。これは、そこにある電子が対になって抵抗なく移動することを意味します。研究者らによると、バルクが金属のままフェルミアークで超伝導が観察されたのはこれが初めてで、この効果はアークがフェルミ面（占有電子と非占有電子の境界）の近くにあるという事実のおかげで可能となったという。レベル）自体。

研究チームは、角度分解光電子分光法 (ARPES) と呼ばれる技術を使用してその結果を得ました。これは、レーザー光源が非常に低い温度で非常に高い放射角で非常に低エネルギーの光子を放出する複雑な実験である、とボリセンコ氏は説明する。この光はサンプルから電子を追い出すのに十分なエネルギーを持っており、検出器は電子が材料から出るエネルギーと角度の両方を測定します。この情報から結晶内の電子構造を再構築できます。

「私たちはPtBiを研究しました₂ 以前は放射光を使っていましたが、正直に言うと、何か異常なことは予想していませんでした」とボリセンコ氏は言います。 「しかし、突然、運動量端エネルギーの点で非常に鋭く、明るく、高度に局所化された特徴に遭遇しました。結局のところ、固体からの光電子放出の歴史の中で最も狭いピークであることが判明しました。」

研究者らは測定の中で、フェルミアーク内に超伝導エネルギーギャップが開いていることも観察した。これらのアークのみがギャップの兆候を示しているため、これは、超電導がサンプルの上面と底面に完全に限定され、一種の超電導体-金属-超電導体のサンドイッチ構造を形成していることを意味します（前述したように、サンプルの大部分は金属です）。この構造は本質的な「SNSとジョセフソンの結合」を表しているとボリセンコ氏は説明する。

調整可能なジョセフソン接合

それだけではありません。PtBi の上面と下面が₂ 異なるフェルミアークを持っている場合、2 つの表面は異なる転移温度で超伝導になります。これは、材料が調整可能なジョセフソン接合であることを意味します。このような構造は、高感度磁力計や超伝導量子ビットなどの用途に大いに期待できます。

理論的には、PtBi₂ と呼ばれる準粒子の作成にも使用できます。 マヨラナゼロモード、トポロジカル超伝導から来ると予測されています。それらが実験で実証されれば、次世代量子コンピューター用の極めて安定したフォールトトレラントな量子ビットとして使用される可能性がある、とボリセンコ氏は言う。 「実際、私たちは現在、純粋な PtBi の超電導ギャップにおける異方性の可能性を調査しています。₂ そして、その中でトポロジカル超伝導を実現する方法を見つけるために、材料の修飾された単結晶内で同様の物体を発見しようとしています」と彼は語ります。 物理学の世界.

ただし、マヨラナ ゼロ モードを検出するのは簡単ではありませんが、PtBi では検出されます。₂ フェルミアークで超伝導ギャップが開くときに現れる可能性があります。しかし、これを確認するには、材料の電子構造をさらに詳細に分析する必要があるとボリセンコ氏は言う。

2つの磁性材料を組み合わせる

別の研究では、ペンシルベニア州立大学の研究者は、強磁性トポロジカル絶縁体と反強磁性鉄カルコゲニド（FeTe）を積層しました。彼らは、2つの材料間の界面で強固なキラル超伝導性を観察した。超伝導性と強磁性は通常互いに競合するため、これは予期せぬことであった、と研究チームメンバーは説明する チャオシン・リウ.

「非超電導である 2 つの磁性材料があるため、実際には非常に興味深いものですが、それらを組み合わせると、これら 2 つの化合物の界面で非常に堅牢な超電導が生成されます。」とチームメンバーは言います。 チャン・ツイズー。 「鉄カルコゲナイドは反強磁性であり、その反強磁性特性が界面付近で弱まって超伝導が出現すると予想されていますが、これが本当かどうかを検証し、超伝導メカニズムを解明するには、さらなる実験と理論的研究が必要です。」

ワイルループがリンクアップ

繰り返しますが、このシステムについては、以下で詳しく説明します。 科学は、マヨラナ物理学を探求するための有望なプラットフォームになる可能性がある、と彼は言います。

ボリセンコ氏は、ペンシルベニア州立大学の研究者らのデータは「非常に興味深い」ものであり、彼のグループの研究と同様に、リュー氏、チャン氏らは、界面の種類は異なるものの、異常な超伝導の証拠を発見したようだと述べた。 「私たちの研究では、表面は 2 つの材料の間ではなく、バルクと真空の間の界面です」と彼は言います。

ペンシルベニア州立大学の研究者らは、トポロジカル超伝導を証明することも目指しているが、関連する材料を集めてヘテロ構造を形成するという、より人為的な方法で必要な要素（対称性の破れとトポロジー）を追加した、と同氏は説明する。 「私たちの場合、ワイル半金属の独特の性質により、これらの成分は単一の材料中に自然に存在します。」

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