Supraconductivitatea suprafeței apare în materiale topologice – Physics World

Cercetătorii de la Institutul Leibniz pentru Cercetarea în stare solidă și a materialelor de la IFW Dresda, Germania, au găsit dovezi pentru supraconductibilitatea suprafeței într-o clasă de materiale topologice cunoscute sub numele de semimetale Weyl. Interesant este că supraconductivitatea, care provine de la electronii limitați în așa-numitele arcuri Fermi, este ușor diferită pe suprafețele superioare și inferioare ale probei studiate. Fenomenul ar putea fi folosit pentru a crea stări Majorana - cvasiparticule mult căutate care ar putea face biți cuantici extrem de stabili, toleranți la erori pentru calculatoarele cuantice de următoarea generație. Între timp, un alt grup de la Universitatea Penn State din SUA a fabricat un supraconductor topologic chiral combinând două materiale magnetice. Statele Majorana ar putea fi găsite și în acest nou material.

Izolatorii topologici sunt izolatori în mare, dar conduc electricitatea extrem de bine pe marginile lor prin stări electronice speciale, protejate topologic. Aceste stări topologice sunt protejate de fluctuațiile mediului lor, iar electronii din ele nu se răspândesc. Deoarece retroîmprăștierea este principalul proces de disipare în electronică, aceasta înseamnă că aceste materiale ar putea fi utilizate pentru a face dispozitive electronice foarte eficiente din punct de vedere energetic în viitor.

Semimetale Weyl sunt o clasă recent descoperită de material topologic în care excitațiile electronice se comportă ca fermioni fără masă, Weyl – prezis pentru prima dată în 1929 de fizicianul teoretician Herman Weyl ca o soluție a ecuației Dirac. Acești fermioni se comportă destul de diferit față de electronii din metalele obișnuite sau semiconductoare prin faptul că prezintă efectul magnetic chiral. Acest lucru se întâmplă atunci când un metal Weyl este plasat într-un câmp magnetic, care generează un curent de particule Weyl pozitive și negative care se deplasează paralel și antiparalel cu câmpul.

Fermionii care pot fi descriși de teoria lui Weyl pot apărea ca cvasiparticule în solide care au benzi liniare de energie a electronilor care se încrucișează la așa-numitele „noduri” (Weyl), a căror existență în structura benzii în vrac este inevitabil însoțită de formarea „Fermi”. arcuri” pe structura benzii de suprafață care conectează practic perechi de „proiecții” de noduri Weyl de chiralitate opusă. Fiecare arc formează jumătate dintr-o buclă pe suprafața superioară a unei probe completată de un arc pe suprafața inferioară.

Electroni limitați la arcurile Fermi

În studiul IFW Dresda, care este detaliat în Natură, o echipă de cercetători condusă de Serghei Borisenko a studiat semimetalul Weyl platină-bismut (PtBi₂). Acest material are câțiva electroni limitati la arcuri Fermi de pe suprafața sa. În mod crucial, arcurile de pe suprafețele superioare și inferioare ale acestui material sunt supraconductoare, ceea ce înseamnă că electronii de acolo se perechează și se mișcă fără rezistență. Este pentru prima dată când supraconductivitate a fost observată în arcurile Fermi, volumul rămânând metalic, spun cercetătorii, iar efectul este posibil datorită faptului că arcurile se află aproape de suprafața Fermi (limita dintre electronii ocupați și cei neocupați). niveluri) în sine.

Echipa și-a obținut rezultatul utilizând o tehnică numită spectroscopie de fotoemisie cu rezoluție în unghi (ARPES). Acesta este un experiment complicat în care o sursă de lumină laser emite fotoni cu energie foarte scăzută la temperaturi foarte scăzute și la unghiuri de emisie neobișnuit de mari, explică Borisenko. Această lumină este suficient de energică pentru a scoate electronii din probă și un detector măsoară atât energia, cât și unghiul cu care electronii ies din material. Structura electronică din interiorul cristalului poate fi reconstruită din aceste informații.

„Am studiat PtBi₂ înainte cu radiația sincrotron și, să fim sinceri, nu ne așteptam la nimic neobișnuit”, spune Borisenko. „Deodată, însă, am dat peste o caracteristică foarte clară, strălucitoare și foarte localizată în ceea ce privește energia finală a impulsului – după cum s-a dovedit, cel mai îngust vârf din istoria fotoemisiei de la solide.”

În măsurătorile lor, cercetătorii au observat, de asemenea, o deschidere a unui decalaj de energie supraconductor în interiorul arcurilor Fermi. Deoarece numai aceste arce au prezentat semne de gol, aceasta înseamnă că supraconductibilitatea este în întregime limitată la suprafețele superioare și inferioare ale eșantionului, formând un fel de sandviș supraconductor-metal-superconductor (cea mai mare parte a eșantionului fiind metalic, așa cum sa menționat). Această structură reprezintă o „joncțiune SNS-Josephson” intrinsecă, explică Borisenko.

O intersecție Josephson reglabilă

Și asta nu este tot: deoarece suprafețele de sus și de jos ale PtBi₂ au arcuri Fermi distincte, cele două suprafețe devin supraconductoare la temperaturi de tranziție diferite, ceea ce înseamnă că materialul este o joncțiune Josephson reglabilă. Astfel de structuri arată foarte promițătoare pentru aplicații precum magnetometrele sensibile și qubiții supraconductori.

În teorie, PtBi₂ ar putea fi folosit și pentru a crea cvasiparticule numite Majorana moduri zero, prezis că provine din supraconductivitate topologică. Dacă sunt demonstrate într-un experiment, ar putea fi utilizați ca qubiți extrem de stabili, toleranți la erori pentru calculatoarele cuantice de următoarea generație, spune Borisenko. „Într-adevăr, investigăm în prezent posibilitatea anizotropiei în golul supraconductor în PtBi pur.₂ și încercând să descopere obiecte similare în monocristale modificate ale materialului pentru a găsi modalități de a realiza supraconductivitate topologică în el”, spune el. Lumea fizicii.

Cu toate acestea, modurile zero Majorana nu sunt ușor de detectat, dar în PtBi₂ ele ar putea apărea atunci când golurile supraconductoare se deschid în arcurile Fermi. Vor fi necesare analize mult mai detaliate ale structurii electronice a materialului, totuși, pentru a confirma acest lucru, spune Borisenko.

Combinând două materiale magnetice

Într-un studiu separat, cercetătorii de la Universitatea Penn State au stivuit împreună un izolator topologic feromagnetic și o calcogenură de fier antiferomagnetică (FeTe). Ei au observat o supraconductivitate chirală robustă la interfața dintre cele două materiale - ceva care este neașteptat, deoarece supraconductivitatea și feromagnetismul concurează în mod normal între ele, explică membrul echipei de studiu. Chao-Xing Liu.

„Este de fapt destul de interesant pentru că avem două materiale magnetice care nu sunt supraconductoare, dar le-am pus împreună, iar interfața dintre acești doi compuși produce o supraconductivitate foarte robustă”, spune membrul echipei. Cui-Zu Chang. „Calcogenura de fier este antiferomagnetică și anticipăm că proprietatea sa antiferomagnetică este slăbită în jurul interfeței pentru a da naștere supraconductivității emergente, dar avem nevoie de mai multe experimente și lucrări teoretice pentru a verifica dacă acest lucru este adevărat și pentru a clarifica mecanismul supraconductor.”

Buclele Weyl se leagă

Din nou, sistemul, care este detaliat în Ştiinţă, ar putea fi o platformă promițătoare pentru explorarea fizicii Majorana, spune el.

Borisenko spune că datele de la cercetătorii Penn State sunt „foarte interesante” și ca și în munca grupului său, Liu, Chang și colegii par să fi găsit dovezi ale supraconductivității neobișnuite, deși la un alt tip de interfață. „În munca noastră, suprafața este o interfață între vrac și vid, mai degrabă decât între două materiale”, spune el.

Cercetătorii de la Penn State urmăresc, de asemenea, să demonstreze supraconductivitatea topologică, dar au adăugat ingredientele necesare – ruperea simetriei și topologia – într-un mod mai artificial, adunând materialele relevante împreună pentru a forma o heterostructură, explică el. „În cazul nostru, datorită naturii unice a semimetalelor Weyl, aceste ingrediente sunt prezente în mod natural într-un singur material.”

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/surface-superconductivity-appears-in-topological-materials/