Os supercondutores permitem que a corrente elétrica passe sem resistência, enquanto os isolantes topológicos são filmes finos com apenas alguns átomos de espessura que restringem o movimento dos elétrons até suas bordas, resultando em propriedades únicas. Uma equipe de pesquisa da Penn State encontrou uma nova maneira de combinar dois materiais com propriedades elétricas especiais. Seu método oferece a base para topologia computadores quânticos que são mais estáveis do que suas contrapartes tradicionais.
Os pesquisadores neste estudo usaram uma técnica de epitaxia por feixe molecular para sintetizar um isolante topológico e supercondutor filmes. Eles então criaram uma heteroestrutura bidimensional que é uma excelente plataforma para explorar o fenômeno da supercondutividade topológica.
A supercondutividade em filmes finos em estudos anteriores para misturar os dois materiais normalmente desaparece quando uma camada isolante topológica é desenvolvida no topo. Uma folha isolante topológica foi adicionada a um supercondutor tridimensional “volume” por físicos, preservando as características de ambos os materiais. No entanto, as aplicações para supercondutores topológicos, como chips com baixo consumo de energia dentro de computadores quânticos ou smartphones, precisariam ser bidimensionais.
Neste estudo, os pesquisadores empilharam um filme isolante topológico feito de seleneto de bismuto (Bi2Se3) com diferentes espessuras em um filme supercondutor feito de disseleneto de nióbio monocamada (NbSe2), resultando em um produto final bidimensional. Ao sintetizar as heteroestruturas a uma temperatura muito mais baixa, a equipe manteve as propriedades topológicas e supercondutoras.
Hemian Yi, pesquisador de pós-doutorado no Chang Research Group da Penn State e primeiro autor do artigo, disse: “Nos supercondutores, os elétrons formam ‘pares de Cooper’ e podem fluir com resistência zero, mas um campo magnético forte pode quebrar esses pares.”
“O filme supercondutor monocamada que usamos é conhecido por sua ‘supercondutividade do tipo Ising’, o que significa que os pares de Cooper são robustos contra os campos magnéticos no plano. Esperamos que a fase supercondutora topológica formada em nossas heteroestruturas seja robusta desta forma.”
Os pesquisadores descobriram que a heteroestrutura mudou da supercondutividade do tipo Ising, onde o spin do elétron é perpendicular ao filme, para a “supercondutividade do tipo Rashba”, onde o spin do elétron é paralelo ao filme, alterando sutilmente a espessura do isolante topológico. . Esse fenômeno também é observado nos cálculos teóricos e nas simulações dos pesquisadores.
Esta heteroestrutura também poderia ser uma boa plataforma para explorar férmions de Majorana. Esta partícula indescritível tornaria significativamente um computador quântico topológico mais estável do que seus antecessores.
Cui-Zu Chang, professor de início de carreira Henry W. Knerr e professor associado de física na Penn State, dito, “Esta é uma excelente plataforma para a exploração de supercondutores topológicos, e temos esperança de encontrar evidências de supercondutividade topológica em nosso trabalho contínuo. Assim que tivermos evidências sólidas de supercondutividade topológica e demonstrarmos a física de Majorana, este sistema poderá ser adaptado para computação quântica e outras aplicações.”
Jornal de referência:
- Cui-Zu Chang, Crossover de supercondutividade do tipo Ising para Rashba em heteroestruturas epitaxiais Bi2Se3 / monocamada NbSe2, Nature Materials (2022). DOI: 10.1038 / s41563-022-01386-z
