Nadprzewodniki umożliwiają przepływ prądu elektrycznego bez oporu, podczas gdy izolatory topologiczne to cienkie warstwy o grubości zaledwie kilku atomów, które ograniczają ruch elektronów do ich krawędzi, co skutkuje unikalnymi właściwościami. Zespół badawczy przy ul Penn State znalazł nowy sposób na połączenie dwóch materiałów o specjalnych właściwościach elektrycznych. Ich metoda stanowi podstawę topologii komputery kwantowe które są bardziej stabilne niż ich tradycyjne odpowiedniki.
Naukowcy biorący udział w tym badaniu wykorzystali technikę epitaksji z wiązek molekularnych do syntezy izolatora topologicznego nadprzewodnik filmy. Następnie stworzyli dwuwymiarową heterostrukturę, która stanowi doskonałą platformę do badania zjawiska nadprzewodnictwa topologicznego.
Nadprzewodnictwo w cienkich warstwach, które stwierdzono we wcześniejszych badaniach nad mieszaniem dwóch materiałów, zwykle zanika, gdy na wierzchu utworzy się topologiczna warstwa izolatora. Fizycy dodali topologiczny arkusz izolatora do trójwymiarowego „masowego” nadprzewodnika, zachowując właściwości obu materiałów. Jednak zastosowania nadprzewodników topologicznych, takich jak chipy o niskim zużyciu energii w komputerach kwantowych lub smartfonach, musiałyby być dwuwymiarowe.
W ramach tego badania badacze umieścili topologiczną warstwę izolatora wykonaną z selenku bizmutu (Bi2Se3) o różnej grubości na folii nadprzewodnika wykonanej z jednowarstwowego diselenku niobu (NbSe2), uzyskując dwuwymiarowy produkt końcowy. Syntetyzując heterostruktury w bardzo niższej temperaturze, zespół zachował właściwości topologiczne i nadprzewodzące.
Hemian Yi, doktorant w Chang Research Group w Penn State i pierwszy autor artykułu, powiedział: „W nadprzewodnikach elektrony tworzą „pary Coopera” i mogą przepływać z zerowym oporem, ale silne pole magnetyczne może rozbić te pary”.
„Zastosowana przez nas jednowarstwowa folia nadprzewodnika znana jest z „nadprzewodnictwa typu Isinga”, co oznacza, że pary Coopera są odporne na znajdujące się w płaszczyźnie pola magnetyczne. Oczekujemy, że topologiczna faza nadprzewodząca utworzona w naszych heterostrukturach będzie w ten sposób solidna.”
Naukowcy odkryli, że heterostruktura zmieniła się z nadprzewodnictwa typu Isinga, gdzie spin elektronu jest prostopadły do warstwy, w „nadprzewodnictwo typu Rashby”, gdzie spin elektronu jest równoległy do folii, poprzez subtelną zmianę grubości izolatora topologicznego . Zjawisko to można zaobserwować także w teoretycznych obliczeniach i symulacjach badaczy.
Ta heterostruktura może być również dobrą platformą do badania fermionów Majorany. Ta nieuchwytna cząstka znacząco uczyniła topologiczny komputer kwantowy bardziej stabilnym niż jego poprzednicy.
Cui-Zu Chang, Henry W. Knerr, profesor początkowej kariery i profesor nadzwyczajny fizyki w Penn State, powiedziany, „To doskonała platforma do badań nadprzewodników topologicznych i mamy nadzieję, że w naszych dalszych pracach znajdziemy dowody na istnienie nadprzewodnictwa topologicznego. Kiedy będziemy mieli solidne dowody na topologiczne nadprzewodnictwo i zademonstrujemy fizykę Majorany, system ten będzie można zaadaptować do obliczeń kwantowych i innych zastosowań”.
Referencje czasopisma:
- Cui-Zu Chang, Przejście od nadprzewodnictwa typu Isinga do Rashby w epitaksjalnych heterostrukturach Bi2Se3/monowarstwowych NbSe2, Materiały przyrodnicze (2022). DOI: 10.1038 / s41563-022-01386-z
