Supercondutividade de superfície aparece em materiais topológicos – Physics World

Pesquisadores do Instituto Leibniz de Pesquisa de Estado Sólido e Materiais do IFW Dresden, Alemanha, encontraram provas de supercondutividade de superfície em uma classe de materiais topológicos conhecidos como semimetais de Weyl. Curiosamente, a supercondutividade, proveniente de electrões confinados nos chamados arcos de Fermi, é ligeiramente diferente nas superfícies superior e inferior da amostra estudada. O fenômeno poderia ser usado para criar estados de Majorana – quasipartículas há muito procuradas que poderiam produzir bits quânticos extremamente estáveis ​​e tolerantes a falhas para computadores quânticos da próxima geração. Enquanto isso, outro grupo da Penn State University, nos EUA, fabricou um supercondutor topológico quiral combinando dois materiais magnéticos. Os estados de Majorana também podem ser encontrados neste novo material.

Os isoladores topológicos são isolantes em massa, mas conduzem eletricidade extremamente bem em suas bordas por meio de estados eletrônicos especiais topologicamente protegidos. Esses estados topológicos são protegidos de flutuações em seu ambiente e os elétrons neles não se retroespalham. Como a retrodifusão é o principal processo de dissipação na eletrônica, isso significa que esses materiais poderão ser usados ​​para fabricar dispositivos eletrônicos altamente eficientes em termos energéticos no futuro.

Os semimetais de Weyl são uma classe recentemente descoberta de material topológico em que as excitações eletrônicas se comportam como férmions de Weyl sem massa - previstos pela primeira vez em 1929 pelo físico teórico Herman Weyl como uma solução da equação de Dirac. Esses férmions se comportam de maneira bastante diferente dos elétrons em metais comuns ou semicondutores, pois apresentam o efeito magnético quiral. Isso ocorre quando um metal Weyl é colocado em um campo magnético, o que gera uma corrente de partículas Weyl positivas e negativas que se movem paralelamente e antiparalelamente ao campo.

Os férmions que podem ser descritos pela teoria de Weyl podem aparecer como quasipartículas em sólidos que possuem bandas lineares de energia eletrônica cruzando os chamados “nós” (Weyl), cuja existência na estrutura de bandas em massa é inevitavelmente acompanhada pela formação de “Fermi arcos” na estrutura de bandas de superfície que basicamente conectam pares de “projeções” de nós de Weyl de quiralidade oposta. Cada arco forma metade de um loop na superfície superior de uma amostra completado por um arco na superfície inferior.

Elétrons confinados em arcos de Fermi

No estudo da IFW Dresden, detalhado em Natureza, uma equipe de pesquisadores liderada por Sergei Borisenko estudaram o semimetal platina-bismuto de Weyl (PtBi₂). Este material possui alguns elétrons confinados aos arcos de Fermi em sua superfície. Crucialmente, os arcos nas superfícies superior e inferior deste material são supercondutores, o que significa que os electrões ali emparelham-se e movem-se sem resistência. Esta é a primeira vez que a supercondutividade é observada em arcos de Fermi, com a massa permanecendo metálica, dizem os pesquisadores, e o efeito é possível graças ao fato de os arcos estarem próximos à superfície de Fermi (a fronteira entre elétrons ocupados e desocupados). níveis) em si.

A equipe obteve o resultado usando uma técnica chamada espectroscopia de fotoemissão com resolução angular (ARPES). Esta é uma experiência complicada em que uma fonte de luz laser fornece fotões de energia muito baixa a temperaturas muito baixas e em ângulos de emissão invulgarmente elevados, explica Borisenko. Esta luz é energética o suficiente para expulsar elétrons da amostra e um detector mede a energia e o ângulo com que os elétrons saem do material. A estrutura eletrônica dentro do cristal pode ser reconstruída a partir desta informação.

“Estudamos PtBi₂ antes com radiação síncrotron e, para ser honesto, não esperávamos nada incomum”, diz Borisenko. “De repente, no entanto, deparámo-nos com uma característica muito nítida, brilhante e altamente localizada em termos de energia final do momento – como se viu, o pico mais estreito de sempre na história da fotoemissão de sólidos.”

Nas suas medições, os investigadores também observaram a abertura de uma lacuna de energia supercondutora dentro dos arcos de Fermi. Como apenas esses arcos mostraram sinais de lacuna, isso significa que a supercondutividade está inteiramente confinada às superfícies superior e inferior da amostra, formando uma espécie de sanduíche supercondutor-metal-supercondutor (sendo a maior parte da amostra metálica, como mencionado). Esta estrutura representa uma “junção SNS-Josephson” intrínseca, explica Borisenko.

Uma junção Josephson ajustável

E isso não é tudo: porque as superfícies superior e inferior do PtBi₂ têm arcos de Fermi distintos, as duas superfícies tornam-se supercondutoras em diferentes temperaturas de transição, o que significa que o material é uma junção Josephson ajustável. Essas estruturas são muito promissoras para aplicações como magnetômetros sensíveis e qubits supercondutores.

Em teoria, PtBi₂ também poderia ser usado para criar quasipartículas chamadas Modos zero de Majorana, previsto para vir da supercondutividade topológica. Se forem demonstrados em um experimento, poderão ser usados ​​como qubits extremamente estáveis ​​e tolerantes a falhas para computadores quânticos da próxima geração, diz Borisenko. “Na verdade, estamos atualmente investigando a possibilidade de anisotropia na lacuna supercondutora em PtBi puro₂ e tentando descobrir objetos semelhantes em monocristais modificados do material para encontrar maneiras de realizar a supercondutividade topológica nele”, diz ele. Mundo da física.

Os modos zero de Majorana não são fáceis de detectar, mas no PtBi₂ eles poderiam aparecer quando as lacunas supercondutoras se abrirem nos arcos de Fermi. No entanto, serão necessárias análises muito mais detalhadas da estrutura eletrônica do material para confirmar isso, diz Borisenko.

Combinando dois materiais magnéticos

Em um estudo separado, pesquisadores da Penn State University empilharam um isolante topológico ferromagnético e um calcogeneto de ferro antiferromagnético (FeTe). Eles observaram uma supercondutividade quiral robusta na interface entre os dois materiais – algo inesperado, uma vez que a supercondutividade e o ferromagnetismo normalmente competem entre si, explica o membro da equipe de estudo. Chao Xing Liu.

“Na verdade, é bastante interessante porque temos dois materiais magnéticos que não são supercondutores, mas quando os juntamos, a interface entre estes dois compostos produz uma supercondutividade muito robusta”, diz o membro da equipa. Cui-Zu Chang. “O calcogeneto de ferro é antiferromagnético, e prevemos que sua propriedade antiferromagnética seja enfraquecida em torno da interface para dar origem à supercondutividade emergente, mas precisamos de mais experimentos e trabalho teórico para verificar se isso é verdade e para esclarecer o mecanismo supercondutor.”

Loops de Weyl se conectam

Novamente, o sistema, detalhado em Ciência, pode ser uma plataforma promissora para explorar a física de Majorana, diz ele.

Borisenko diz que os dados dos investigadores da Penn State são “muito interessantes” e, tal como no trabalho do seu grupo, Liu, Chang e colegas parecem ter encontrado evidências de supercondutividade incomum, embora num tipo diferente de interface. “Em nosso trabalho, a superfície é uma interface entre a massa e o vácuo, e não entre dois materiais”, diz ele.

Os investigadores da Penn State também pretendem provar a supercondutividade topológica, mas adicionaram os ingredientes necessários – quebra de simetria e topologia – de uma forma mais artificial, reunindo os materiais relevantes para formar uma heteroestrutura, explica ele. “No nosso caso, devido à natureza única dos semimetais de Weyl, esses ingredientes estão naturalmente presentes em um único material.”

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/surface-superconductivity-appears-in-topological-materials/