Nadprzewodnictwo powierzchniowe pojawia się w materiałach topologicznych – Świat Fizyki

Naukowcy z Instytutu Badań Ciała Stałego i Materiałów Leibniza w IFW Dresden w Niemczech znaleźli dowód na nadprzewodnictwo powierzchniowe w klasie materiałów topologicznych znanych jako półmetale Weyla. Co ciekawe, nadprzewodnictwo, które pochodzi od elektronów uwięzionych w tzw. łukach Fermiego, różni się nieco na górnej i dolnej powierzchni badanej próbki. Zjawisko to można wykorzystać do tworzenia stanów Majorany – od dawna poszukiwanych kwazicząstek, z których można uzyskać niezwykle stabilne, odporne na błędy bity kwantowe dla komputerów kwantowych nowej generacji. W międzyczasie inna grupa z Penn State University w USA wyprodukowała chiralny nadprzewodnik topologiczny, łącząc dwa materiały magnetyczne. W nowym materiale można także odnaleźć stany Majorany.

Izolatory topologiczne izolują w masie, ale wyjątkowo dobrze przewodzą prąd na swoich krawędziach poprzez specjalne, chronione topologicznie stany elektroniczne. Te stany topologiczne są chronione przed wahaniami w swoim otoczeniu, a znajdujące się w nich elektrony nie ulegają rozproszeniu wstecznemu. Ponieważ rozpraszanie wsteczne jest głównym procesem rozpraszania w elektronice, oznacza to, że materiały te mogą w przyszłości zostać wykorzystane do wytwarzania wysoce energooszczędnych urządzeń elektronicznych.

Półmetale Weyla to niedawno odkryta klasa materiałów topologicznych, w których wzbudzenia elektroniczne zachowują się jak bezmasowe fermiony Weyla – po raz pierwszy przewidziane w 1929 r. przez fizyka teoretycznego Hermana Weyla jako rozwiązanie równania Diraca. Fermiony te zachowują się zupełnie inaczej niż elektrony w zwykłych metalach lub półprzewodnikach, ponieważ wykazują chiralny efekt magnetyczny. Dzieje się tak, gdy metal Weyla zostaje umieszczony w polu magnetycznym, które generuje prąd dodatnich i ujemnych cząstek Weyla, które poruszają się równolegle i antyrównolegle do pola.

Fermiony, które można opisać teorią Weyla, mogą występować jako kwazicząstki w ciałach stałych, których liniowe pasma energii elektronów przecinają się w tzw. „węzłach” (Weyla), których istnieniu w strukturze pasm masowych nieuchronnie towarzyszy powstawanie „Fermiego” łuki” na powierzchniowej strukturze pasmowej, które w zasadzie łączą pary „występów” węzłów Weyla o przeciwnej chiralności. Każdy łuk tworzy połowę pętli na górnej powierzchni próbki uzupełnionej łukiem na dolnej powierzchni.

Elektrony uwięzione w łukach Fermiego

W badaniu IFW Dresden, które szczegółowo opisano w Natura, zespół naukowców kierowany przez Siergiej Borisenko badał półmetal platynowo-bizmutowy Weyla (PtBi₂). Materiał ten ma część elektronów ograniczonych do łuków Fermiego na swojej powierzchni. Co najważniejsze, łuki na górnej i dolnej powierzchni tego materiału są nadprzewodzące, co oznacza, że ​​elektrony łączą się w pary i poruszają się bez oporu. Naukowcy twierdzą, że po raz pierwszy zaobserwowano nadprzewodnictwo w łukach Fermiego, którego większość pozostaje metaliczna, a efekt jest możliwy dzięki temu, że łuki leżą blisko powierzchni Fermiego (granica między elektronami zajętymi i niezajętymi poziomy) sam.

Zespół uzyskał swój wynik, stosując technikę zwaną kątową spektroskopią fotoemisyjną (ARPES). To skomplikowany eksperyment, w którym laserowe źródło światła dostarcza fotony o bardzo niskiej energii w bardzo niskich temperaturach i pod niezwykle wysokimi kątami emisji, wyjaśnia Borisenko. Światło to ma wystarczającą energię, aby wyrzucić elektrony z próbki, a detektor mierzy zarówno energię, jak i kąt, pod jakim elektrony opuszczają materiał. Na podstawie tych informacji można zrekonstruować strukturę elektronową kryształu.

„Badaliśmy PtBi₂ wcześniej z promieniowaniem synchrotronowym i szczerze mówiąc, nie spodziewaliśmy się niczego niezwykłego” – mówi Borisenko. „Nagle jednak natknęliśmy się na bardzo ostrą, jasną i wysoce zlokalizowaną cechę pod względem energii końcowej pędu – jak się okazało, najwęższy szczyt w historii fotoemisji z ciał stałych”.

Podczas swoich pomiarów naukowcy zaobserwowali także otwarcie nadprzewodzącej przerwy energetycznej w łukach Fermiego. Ponieważ tylko te łuki wykazywały oznaki przerwy, oznacza to, że nadprzewodnictwo jest całkowicie ograniczone do górnej i dolnej powierzchni próbki, tworząc rodzaj kanapki nadprzewodnik-metal-nadprzewodnik (większość próbki jest metaliczna, jak wspomniano). Struktura ta stanowi wewnętrzne „węzeł SNS-Josephson” – wyjaśnia Borisenko.

Przestrajalne złącze Josephsona

A to nie wszystko: bo górna i dolna powierzchnia PtBi₂ mają różne łuki Fermiego, obie powierzchnie stają się nadprzewodzące w różnych temperaturach przejścia, co oznacza, że ​​materiał jest przestrajalnym złączem Josephsona. Struktury takie są bardzo obiecujące w zastosowaniach takich jak czułe magnetometry i kubity nadprzewodzące.

W teorii PtBi₂ można również wykorzystać do tworzenia kwazicząstek tzw Tryby zerowe Majorany, jak się przewiduje, będzie pochodzić z nadprzewodnictwa topologicznego. Jeśli zostaną wykazane w eksperymencie, można je wykorzystać jako wyjątkowo stabilne i odporne na błędy kubity w komputerach kwantowych nowej generacji, mówi Borisenko. „Rzeczywiście obecnie badamy możliwość anizotropii w przerwie nadprzewodzącej w czystym PtBi₂ i próbuję odkryć podobne obiekty w zmodyfikowanych monokryształach materiału, aby znaleźć sposoby na realizację w nim topologicznego nadprzewodnictwa” – opowiada Świat Fizyki.

Tryby zerowe Majorany nie są jednak łatwe do wykrycia, ale w PtBi₂ mogą się pojawić, gdy w łukach Fermiego otworzą się przerwy nadprzewodzące. Aby to potwierdzić, potrzebne będą jednak znacznie bardziej szczegółowe analizy struktury elektronowej materiału, mówi Borisenko.

Połączenie dwóch materiałów magnetycznych

W oddzielnym badaniu naukowcy z Penn State University połączyli ze sobą ferromagnetyczny izolator topologiczny i antyferromagnetyczny chalkogenek żelaza (FeTe). Zaobserwowali silne chiralne nadprzewodnictwo na styku dwóch materiałów – coś, co jest nieoczekiwane, ponieważ nadprzewodnictwo i ferromagnetyzm zwykle ze sobą konkurują, wyjaśnia członek zespołu badawczego Chao-Xing Liu.

„To całkiem interesujące, ponieważ mamy dwa materiały magnetyczne, które nie są nadprzewodzące, ale zestawiamy je razem i na granicy między tymi dwoma związkami powstaje bardzo silne nadprzewodnictwo” – mówi członek zespołu Cui Zu Chang. „Chalkogenek żelaza jest antyferromagnetyczny i przewidujemy, że jego właściwości antyferromagnetyczne zostaną osłabione wokół granicy faz, co doprowadzi do powstania nadprzewodnictwa, ale potrzebujemy więcej eksperymentów i prac teoretycznych, aby sprawdzić, czy to prawda i wyjaśnić mechanizm nadprzewodnictwa”.

Pętle Weyla łączą się

Ponownie system, który jest szczegółowo opisany w nauka, może być obiecującą platformą do badania fizyki Majorany, mówi.

Borisenko twierdzi, że dane uzyskane od badaczy z Penn State są „bardzo interesujące” i podobnie jak w przypadku prac jego grupy, Liu, Chang i współpracownicy najwyraźniej znaleźli dowody na niezwykłe nadprzewodnictwo, aczkolwiek na interfejsie innego rodzaju. „W naszej pracy powierzchnia stanowi interfejs między masą a próżnią, a nie między dwoma materiałami” – mówi.

Naukowcy z Penn State również chcą udowodnić nadprzewodnictwo topologiczne, ale dodali niezbędne składniki – łamanie symetrii i topologię – w bardziej sztuczny sposób, łącząc odpowiednie materiały w celu utworzenia heterostruktury – wyjaśnia. „W naszym przypadku, ze względu na wyjątkowy charakter półmetali Weyla, składniki te występują naturalnie w jednym materiale”.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/surface-superconductivity-appears-in-topological-materials/