Overflatesuperledning vises i topologiske materialer – Physics World

Overflatesuperledning vises i topologiske materialer – Physics World

Tidsstempel: 20. februar 2024 11:13

superledende buer på overflaten av Weyl-halvmetallet
En skjematisk/kunstnerisk representasjon av de superledende buene på overflaten av Weyl-halvmetallet. Med tillatelse: S Borisenko, A Kuibarov og O Suvorov

Forskere ved Leibniz Institute for Solid State and Materials Research ved IFW Dresden, Tyskland, har funnet bevis for overflatesuperledning i en klasse topologiske materialer kjent som Weyl-semimetaller. Interessant nok er superledningsevnen, som kommer fra elektroner innesperret i såkalte Fermi-buer, litt forskjellig på topp- og bunnflatene av prøven som ble studert. Fenomenet kan brukes til å skape Majorana-tilstander – lenge ettertraktede kvasipartikler som kan lage ekstremt stabile, feiltolerante kvantebiter for neste generasjons kvantedatamaskiner. I mellomtiden har en annen gruppe ved Penn State University i USA laget en kiral topologisk superleder ved å kombinere to magnetiske materialer. Majorana-stater kan også finnes i dette nye materialet.

Topologiske isolatorer er isolerende i hoveddelen, men leder elektrisitet ekstremt godt på kantene via spesielle, topologisk beskyttede, elektroniske tilstander. Disse topologiske tilstandene er beskyttet mot svingninger i miljøet, og elektronene i dem sprer seg ikke tilbake. Siden tilbakespredning er den viktigste spredningsprosessen innen elektronikk, betyr dette at disse materialene kan bli brukt til å lage svært energieffektive elektroniske enheter i fremtiden.

Weyl-halvmetaller er en nylig oppdaget klasse av topologisk materiale der elektroniske eksitasjoner oppfører seg som masseløse Weyl-fermioner – først spådd i 1929 av den teoretiske fysikeren Herman Weyl som en løsning av Dirac-ligningen. Disse fermionene oppfører seg ganske annerledes enn elektroner i vanlige metaller eller halvledere ved at de viser den kirale magnetiske effekten. Dette skjer når et Weyl-metall plasseres i et magnetfelt, som genererer en strøm av positive og negative Weyl-partikler som beveger seg parallelt og antiparallelt med feltet.

Fermioner som kan beskrives av Weyls teori kan fremstå som kvasipartikler i faste stoffer som har lineære elektronenergibånd som krysser ved såkalte (Weyl) "noder", hvis eksistens i bulkbåndstrukturen uunngåelig er ledsaget av dannelsen av "Fermi" buer" på overflatebåndstrukturen som i utgangspunktet forbinder par av "projeksjoner" av Weyl-noder med motsatt chiralitet. Hver bue danner halvparten av en løkke på den øvre overflaten av en prøve fullført av en bue på den nederste overflaten.

Elektroner begrenset til Fermi-buer

I IFW Dresden-studien, som er detaljert i Natur, et team av forskere ledet av Sergey Borisenko studerte Weyl semimetall platina-vismut (PtBi2). Dette materialet har noen elektroner begrenset til Fermi-buer på overflaten. Avgjørende er at buene på topp- og bunnflatene av dette materialet er superledende, noe som betyr at elektronene der parer seg og beveger seg uten motstand. Dette er første gang superledning har blitt observert i Fermi-buer, hvor hoveddelen forblir metallisk, sier forskerne, og effekten er mulig takket være det faktum at buene ligger nær Fermi-overflaten (grensen mellom okkuperte og ledige elektroner). nivåer) selv.

Teamet oppnådde resultatet ved hjelp av en teknikk kalt vinkeloppløst fotoemisjonsspektroskopi (ARPES). Dette er et komplisert eksperiment der en laserlyskilde leverer veldig lavenergifotoner ved veldig lave temperaturer og ved uvanlig høye emisjonsvinkler, forklarer Borisenko. Dette lyset er energisk nok til å sparke ut elektroner fra prøven, og en detektor måler både energien og vinkelen som elektroner kommer ut av materialet med. Den elektroniske strukturen i krystallen kan rekonstrueres fra denne informasjonen.

"Vi har studert PtBi2 før med synkrotronstråling, og for å være ærlig forventet vi ikke noe uvanlig, sier Borisenko. "Plutselig kom vi imidlertid over et veldig skarpt, lyst og svært lokalisert trekk når det gjelder momentum sluttenergi - som det viste seg, den smaleste toppen noensinne i historien til fotoemisjon fra faste stoffer."

I sine målinger observerte forskerne også en åpning av et superledende energigap i Fermi-buene. Siden bare disse buene viste tegn på et gap, betyr dette at superledningsevnen er helt begrenset til de øvre og nedre overflatene av prøven, og danner en slags superleder-metall-superleder-sandwich (hoveddelen av prøven er metallisk som nevnt). Denne strukturen representerer et iboende "SNS-Josephson-kryss", forklarer Borisenko.

Et justerbart Josephson-kryss

Og det er ikke alt: fordi topp- og bunnflatene til PtBi2 har distinkte Fermi-buer, blir de to overflatene superledende ved forskjellige overgangstemperaturer, noe som betyr at materialet er et justerbart Josephson-kryss. Slike strukturer viser mye lovende for applikasjoner som sensitive magnetometre og superledende qubits.

I teorien, PtBi2 kan også brukes til å lage kvasipartikler kalt Majorana null-moduser, spådd å komme fra topologisk superledning. Hvis de blir demonstrert i et eksperiment, kan de bli brukt som ekstremt stabile, feiltolerante qubits for neste generasjons kvantedatamaskiner, sier Borisenko. "Vi undersøker faktisk muligheten for anisotropi i det superledende gapet i ren PtBi2 og prøver å oppdage lignende objekter i modifiserte enkeltkrystaller av materialet for å finne måter å realisere topologisk superledning i det,» forteller han Fysikkens verden.

Majorana null-modus er imidlertid ikke lett å oppdage, men i PtBi2 de kan dukke opp når de superledende hullene åpner seg i Fermi-buene. Det vil imidlertid være behov for mye mer detaljerte analyser av materialets elektroniske struktur for å bekrefte dette, sier Borisenko.

Kombinerer to magnetiske materialer

I en egen studie stablet forskere fra Penn State University sammen en ferromagnetisk topologisk isolator og et antiferromagnetisk jernkalkogenid (FeTe). De observerte robust kiral superledning i grensesnittet mellom de to materialene - noe som er uventet siden superledning og ferromagnetisme normalt konkurrerer med hverandre, forklarer studieteammedlem Chao-Xing Liu.

"Det er faktisk ganske interessant fordi vi har to magnetiske materialer som ikke er superledende, men vi setter dem sammen og grensesnittet mellom disse to forbindelsene produserer veldig robust superledning," sier teammedlem Cui-Zu Chang. "Jernkalkogenid er antiferromagnetisk, og vi forventer at dens antiferromagnetiske egenskap er svekket rundt grensesnittet for å gi opphav til den fremvoksende superledningsevnen, men vi trenger flere eksperimenter og teoretisk arbeid for å bekrefte om dette er sant og for å klargjøre den superledende mekanismen."

Igjen, systemet, som er detaljert i Vitenskap, kan være en lovende plattform for å utforske Majorana-fysikk, sier han.

Borisenko sier at dataene fra Penn State-forskerne er "veldig interessante", og som i hans gruppes arbeid ser det ut til at Liu, Chang og kolleger har funnet bevis på uvanlig superledning, om enn ved en annen type grensesnitt. "I vårt arbeid er overflaten et grensesnitt mellom bulken og vakuumet i stedet for mellom to materialer," sier han.

Penn State-forskerne har også som mål å bevise topologisk superledning, men de har lagt til de nødvendige ingrediensene – symmetribrudd og topologi – på en mer kunstig måte ved å bringe de relevante materialene sammen for å danne en heterostruktur, forklarer han. "I vårt tilfelle, på grunn av den unike naturen til Weyl-halvmetaller, er disse ingrediensene naturlig tilstede i et enkelt materiale."

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden