Superledere lar den elektriske strømmen passere uten motstand, mens topologiske isolatorer er tynne filmer som bare er noen få atomer tykke som begrenser bevegelsen av elektroner til kantene, noe som resulterer i unike egenskaper. Et forskerteam kl Penn State har funnet en ny måte å kombinere to materialer med spesielle elektriske egenskaper. Metoden deres gir grunnlaget for topologisk kvante datamaskiner som er mer stabile enn sine tradisjonelle kolleger.
Forskere i denne studien brukte en molekylær stråleepitaksiteknikk for å syntetisere en topologisk isolator og superleder filmer. De skapte deretter en todimensjonal heterostruktur som er en utmerket plattform for å utforske fenomenet topologisk superledning.
Superledningsevnen i tynne filmer i tidligere studier for å blande de to materialene forsvinner vanligvis når et topologisk isolasjonslag er utviklet på toppen. Et topologisk isolasjonsark ble lagt til en tredimensjonal "bulk" superleder av fysikere, og bevarte begge materialenes egenskaper. Imidlertid må applikasjoner for topologiske superledere, som brikker med lavt strømforbruk inne i kvantedatamaskiner eller smarttelefoner, være todimensjonale.
I denne studien stablet forskerne en topologisk isolasjonsfilm laget av vismutselenid (Bi2Se3) med forskjellige tykkelser på en superlederfilm laget av monolags niobdiselenid (NbSe2), noe som resulterte i et todimensjonalt sluttprodukt. Ved å syntetisere heterostrukturene ved en veldig lavere temperatur, beholdt teamet de topologiske og superledende egenskapene.
Hemian Yi, en postdoktor i Chang Research Group i Penn State og avisens første forfatter, sa: "I superledere danner elektroner 'Cooper-par' og kan strømme med null motstand, men et sterkt magnetfelt kan bryte disse parene."
"Entlags superlederfilmen vi brukte er kjent for sin 'Ising-type superledning', som betyr at Cooper-parene er robuste mot magnetfeltene i planet. Vi forventer at den topologiske superledende fasen som dannes i heterostrukturene våre vil være robuste på denne måten."
Forskerne oppdaget at heterostrukturen endret seg fra Ising-type superledning, hvor elektronspinnet er vinkelrett på filmen, til "Rashba-type superledning", hvor elektronspinnet er parallelt med filmen, ved subtilt å endre tykkelsen på den topologiske isolatoren. . Dette fenomenet er også observert i forskernes teoretiske beregninger og simuleringer.
Denne heterostrukturen kan også være en god plattform for å utforske Majorana-fermioner. Denne unnvikende partikkelen ville betydelig gjøre en topologisk kvantedatamaskin mer stabil enn forgjengerne.
Cui-Zu Chang, Henry W. Knerr professor i tidlig karriere og førsteamanuensis i fysikk ved Penn State, sa, "Dette er en utmerket plattform for utforskning av topologiske superledere, og vi håper at vi vil finne bevis på topologisk superledning i vårt fortsatte arbeid. Når vi har solide bevis på topologisk superledning og demonstrert Majorana-fysikk, kan dette systemet tilpasses for kvanteberegning og andre applikasjoner.»
Tidsreferanse:
- Cui-Zu Chang, Crossover fra Ising- til Rashba-type superledning i epitaksiale Bi2Se3 / monolag NbSe2 heterostrukturer, Nature Materials (2022). GJØR JEG: 10.1038 / s41563-022-01386-z
