Supergeleiders laten de elektrische stroom zonder weerstand door, terwijl topologische isolatoren dunne films zijn van slechts een paar atomen dik die de beweging van elektronen tot hun randen beperken, wat resulteert in unieke eigenschappen. Een onderzoeksteam van Penn State heeft een nieuwe manier gevonden om twee materialen met bijzondere elektrische eigenschappen te combineren. Hun methode biedt de basis voor topologie quantum computers die stabieler zijn dan hun traditionele tegenhangers.
Onderzoekers in deze studie gebruikten een moleculaire bundelepitaxietechniek om een topologische isolator te synthetiseren supergeleider films. Vervolgens creëerden ze een tweedimensionale heterostructuur die een uitstekend platform is om het fenomeen topologische supergeleiding te onderzoeken.
De supergeleiding in dunne films uit eerdere onderzoeken om de twee materialen te mengen verdwijnt doorgaans zodra er een topologische isolatielaag bovenop wordt ontwikkeld. Een topologische isolatieplaat werd door natuurkundigen aan een driedimensionale “bulk”-supergeleider toegevoegd, waardoor de eigenschappen van beide materialen behouden bleven. Toepassingen voor topologische supergeleiders, zoals chips met een laag stroomverbruik in kwantumcomputers of smartphones, zouden echter tweedimensionaal moeten zijn.
In deze studie stapelden onderzoekers een topologische isolatiefilm gemaakt van bismutselenide (Bi2Se3) met verschillende diktes op een supergeleiderfilm gemaakt van monolaag niobiumdiselenide (NbSe2), resulterend in een tweedimensionaal eindproduct. Door de heterostructuren bij een zeer lagere temperatuur te synthetiseren, behield het team de topologische en supergeleidende eigenschappen.
Hemian Yi, een postdoctoraal onderzoeker bij de Chang Research Group in Penn State en de eerste auteur van het artikel, zei: “In supergeleiders vormen elektronen ‘Cooper-paren’ en kunnen ze zonder weerstand stromen, maar een sterk magnetisch veld kan die paren breken.”
“De monolaag supergeleiderfilm die we gebruikten staat bekend om zijn ‘Ising-type supergeleiding’, wat betekent dat de Cooper-paren robuust zijn tegen de magnetische velden in het vlak. We verwachten dat de topologische supergeleidende fase die in onze heterostructuren wordt gevormd op deze manier robuust zal zijn.”
De onderzoekers ontdekten dat de heterostructuur veranderde van supergeleiding van het Ising-type, waarbij de elektronenspin loodrecht op de film staat, naar ‘supergeleiding van het Rashba-type’, waarbij de elektronenspin evenwijdig is aan de film, door op subtiele wijze de dikte van de topologische isolator te veranderen. . Dit fenomeen wordt ook waargenomen in de theoretische berekeningen en simulaties van de onderzoekers.
Deze heterostructuur zou ook een goed platform kunnen zijn voor het verkennen van Majorana-fermionen. Dit ongrijpbare deeltje zou een topologische kwantumcomputer aanzienlijk stabieler maken dan zijn voorgangers.
Cui-Zu Chang, Henry W. Knerr Early Career Professor en universitair hoofddocent natuurkunde aan Penn State, zei, “Dit is een uitstekend platform voor de verkenning van topologische supergeleiders, en we hebben goede hoop dat we in ons voortdurende werk bewijs zullen vinden van topologische supergeleiding. Zodra we solide bewijs hebben van topologische supergeleiding en de Majorana-fysica kunnen aantonen, kan dit systeem worden aangepast voor kwantumcomputers en andere toepassingen.’
Journal Reference:
- Cui-Zu Chang, Crossover van supergeleiding van het Ising- naar Rashba-type in epitaxiale Bi2Se3 / monolaag NbSe2-heterostructuren, Natuur materialen (2022). DOI: 10.1038 / s41563-022-01386-z
