Oppervlaktesupergeleiding komt voor in topologische materialen – Physics World

Onderzoekers van het Leibniz Instituut voor Solid State and Materials Research van IFW Dresden, Duitsland, hebben bewijs gevonden voor supergeleiding aan het oppervlak in een klasse van topologische materialen die bekend staan ​​als Weyl-semimetalen. Interessant is dat de supergeleiding, die afkomstig is van elektronen die zijn opgesloten in zogenaamde Fermi-bogen, enigszins verschilt aan de boven- en onderkant van het bestudeerde monster. Het fenomeen zou kunnen worden gebruikt om Majorana-toestanden te creëren – lang gezochte quasideeltjes die extreem stabiele, fouttolerante kwantumbits zouden kunnen maken voor de volgende generatie kwantumcomputers. Ondertussen heeft een andere groep aan de Penn State University in de VS een chirale topologische supergeleider gefabriceerd door twee magnetische materialen te combineren. Majorana-staten kunnen ook in dit nieuwe materiaal worden aangetroffen.

Topologische isolatoren isoleren in grote lijnen, maar geleiden elektriciteit extreem goed aan de randen via speciale, topologisch beschermde, elektronische toestanden. Deze topologische toestanden zijn beschermd tegen schommelingen in hun omgeving en de elektronen daarin verstrooien niet. Omdat terugverstrooiing het belangrijkste dissipatieproces in de elektronica is, betekent dit dat deze materialen in de toekomst kunnen worden gebruikt om zeer energie-efficiënte elektronische apparaten te maken.

Weyl-semimetalen zijn een recent ontdekte klasse van topologisch materiaal waarin elektronische excitaties zich gedragen als massaloze, Weyl-fermionen – voor het eerst voorspeld in 1929 door de theoretisch natuurkundige Herman Weyl als een oplossing van de Dirac-vergelijking. Deze fermionen gedragen zich heel anders dan elektronen in gewone metalen of halfgeleiders, omdat ze het chirale magnetische effect vertonen. Dit gebeurt wanneer een Weyl-metaal in een magnetisch veld wordt geplaatst, dat een stroom van positieve en negatieve Weyl-deeltjes genereert die parallel en antiparallel aan het veld bewegen.

Fermionen die door de theorie van Weyl kunnen worden beschreven, kunnen verschijnen als quasideeltjes in vaste stoffen die lineaire elektronenenergiebanden hebben die elkaar kruisen bij zogenaamde (Weyl) “knooppunten”, waarvan het bestaan ​​in de bulkbandstructuur onvermijdelijk gepaard gaat met de vorming van “Fermi bogen” op de oppervlaktebandstructuur die feitelijk paren “projecties” van Weyl-knooppunten met tegengestelde chiraliteit verbinden. Elke boog vormt de helft van een lus op het bovenoppervlak van een monster, aangevuld met een boog op het onderoppervlak.

Elektronen beperkt tot Fermi-bogen

In de IFW Dresden-studie, die gedetailleerd wordt beschreven in NATUUR, een team van onderzoekers onder leiding van Sergei Borisenko bestudeerde het Weyl-semimetaal platina-bismuth (PtBi₂). Dit materiaal heeft enkele elektronen die beperkt zijn tot Fermi-bogen op het oppervlak. Cruciaal is dat de bogen aan de boven- en onderkant van dit materiaal supergeleidend zijn, wat betekent dat de elektronen daar paren vormen en zonder weerstand bewegen. Dit is de eerste keer dat supergeleiding wordt waargenomen in Fermi-bogen, waarbij het grootste deel metaalachtig blijft, zeggen de onderzoekers, en het effect is mogelijk dankzij het feit dat de bogen dicht bij het Fermi-oppervlak liggen (de grens tussen bezette en onbezette elektronen). niveaus) zelf.

Het team behaalde het resultaat met behulp van een techniek genaamd Angle-Resolved PhotoEmission Spectroscopy (ARPES). Dit is een ingewikkeld experiment waarbij een laserlichtbron fotonen met zeer lage energie aflevert bij zeer lage temperaturen en onder ongewoon hoge emissiehoeken, legt Borisenko uit. Dit licht is energetisch genoeg om elektronen uit het monster te verwijderen en een detector meet zowel de energie als de hoek waarmee elektronen het materiaal verlaten. Op basis van deze informatie kan de elektronische structuur in het kristal worden gereconstrueerd.

“We hebben PtBi bestudeerd₂ voorheen met synchrotronstraling en eerlijk gezegd hadden we niets ongewoons verwacht”, zegt Borisenko. “Plotseling kwamen we echter een zeer scherp, helder en zeer gelokaliseerd kenmerk tegen in termen van momentum-eindenergie – zoals later bleek, de smalste piek ooit in de geschiedenis van foto-emissie uit vaste stoffen.”

Bij hun metingen observeerden de onderzoekers ook een opening van een supergeleidende energiekloof binnen de Fermi-bogen. Omdat alleen deze bogen tekenen van een opening vertoonden, betekent dit dat de supergeleiding volledig beperkt is tot de boven- en onderoppervlakken van het monster, waardoor een soort supergeleider-metaal-supergeleider-sandwich wordt gevormd (het grootste deel van het monster is van metaal, zoals vermeld). Deze structuur vertegenwoordigt een intrinsiek “SNS-Josephson-knooppunt”, legt Borisenko uit.

Een afstembare Josephson-kruising

En dat is nog niet alles: omdat de boven- en onderoppervlakken van PtBi₂ Omdat ze verschillende Fermi-bogen hebben, worden de twee oppervlakken supergeleidend bij verschillende overgangstemperaturen, wat betekent dat het materiaal een afstembare Josephson-overgang is. Dergelijke structuren zijn veelbelovend voor toepassingen als gevoelige magnetometers en supergeleidende qubits.

In theorie PtBi₂ kan ook worden gebruikt om zogenaamde quasideeltjes te creëren Majorana nulmodi, waarvan wordt voorspeld dat het afkomstig is van topologische supergeleiding. Als ze in een experiment worden gedemonstreerd, kunnen ze worden gebruikt als extreem stabiele, fouttolerante qubits voor de volgende generatie kwantumcomputers, zegt Borisenko. “Inderdaad onderzoeken we momenteel de mogelijkheid van anisotropie in de supergeleidende kloof in pure PtBi₂ en proberen vergelijkbare objecten te ontdekken in gemodificeerde enkele kristallen van het materiaal om manieren te vinden om daarin topologische supergeleiding te realiseren”, vertelt hij. Natuurkunde wereld.

Majorana-nulmodi zijn echter niet eenvoudig te detecteren, maar dan in de PtBi₂ ze zouden kunnen verschijnen wanneer de supergeleidende gaten in de Fermi-bogen opengaan. Om dit te bevestigen zijn echter veel gedetailleerdere analyses van de elektronische structuur van het materiaal nodig, zegt Borisenko.

Combinatie van twee magnetische materialen

In een afzonderlijke studie stapelden onderzoekers van de Penn State University een ferromagnetische topologische isolator en een antiferromagnetisch ijzerchalcogenide (FeTe) op elkaar. Ze observeerden robuuste chirale supergeleiding op het grensvlak tussen de twee materialen – iets dat onverwacht is omdat supergeleiding en ferromagnetisme normaal gesproken met elkaar concurreren, legt een lid van het onderzoeksteam uit Chao Xing Liu.

“Het is eigenlijk best interessant omdat we twee magnetische materialen hebben die niet supergeleidend zijn, maar we voegen ze samen en het grensvlak tussen deze twee verbindingen produceert een zeer robuuste supergeleiding”, zegt teamlid Cui Zu Chang. “IJzerchalcogenide is antiferromagnetisch en we verwachten dat de antiferromagnetische eigenschappen ervan rond het grensvlak verzwakt zijn, waardoor de opkomende supergeleiding ontstaat, maar we hebben meer experimenten en theoretisch werk nodig om te verifiëren of dit waar is en om het supergeleidende mechanisme te verduidelijken.”

Weyl-lussen sluiten op elkaar aan

Nogmaals, het systeem, dat gedetailleerd wordt beschreven in Wetenschap, zou een veelbelovend platform kunnen zijn voor het verkennen van de Majorana-fysica, zegt hij.

Borisenko zegt dat de gegevens van de Penn State-onderzoekers “zeer interessant” zijn en net als in het werk van zijn groep lijken Liu, Chang en collega's bewijs te hebben gevonden van ongebruikelijke supergeleiding, zij het op een ander type grensvlak. “In ons werk is het oppervlak een grensvlak tussen de bulk en het vacuüm in plaats van tussen twee materialen”, zegt hij.

De onderzoekers van Penn State willen ook topologische supergeleiding bewijzen, maar ze hebben de noodzakelijke ingrediënten – symmetriebreuk en topologie – op een meer kunstmatige manier toegevoegd door de relevante materialen samen te brengen om een ​​heterostructuur te vormen, legt hij uit. "In ons geval zijn deze ingrediënten, vanwege de unieke aard van Weyl-semimetalen, van nature aanwezig in één enkel materiaal."

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/surface-superconductivity-appears-in-topological-materials/