Поверхностная сверхпроводимость появляется в топологических материалах

Исследователи из Института исследований твердого тела и материалов им. Лейбница при IFW Дрездене, Германия, нашли доказательство поверхностной сверхпроводимости в классе топологических материалов, известных как полуметаллы Вейля. Интересно, что сверхпроводимость, обусловленная электронами, удерживаемыми в так называемых дугах Ферми, немного различается на верхней и нижней поверхностях исследуемого образца. Это явление можно использовать для создания состояний Майораны — давно разыскиваемых квазичастиц, которые могли бы создавать чрезвычайно стабильные и отказоустойчивые квантовые биты для квантовых компьютеров следующего поколения. Тем временем другая группа из Пенсильванского государственного университета в США изготовила киральный топологический сверхпроводник, объединив два магнитных материала. Состояния Майораны также можно найти в этом новом материале.

Топологические изоляторы изолируют в объеме, но очень хорошо проводят электричество по краям благодаря особым, топологически защищенным электронным состояниям. Эти топологические состояния защищены от флуктуаций окружающей среды и электроны в них не рассеиваются обратно. Поскольку обратное рассеяние является основным процессом рассеяния в электронике, это означает, что в будущем эти материалы могут быть использованы для создания высокоэнергетических электронных устройств.

Полуметаллы Вейля — это недавно открытый класс топологического материала, в котором электронные возбуждения ведут себя как безмассовые фермионы Вейля — впервые предсказанные в 1929 году физиком-теоретиком Германом Вейлем как решение уравнения Дирака. Эти фермионы ведут себя совершенно иначе, чем электроны в обычных металлах или полупроводниках, поскольку они проявляют киральный магнитный эффект. Это происходит, когда металл Вейля помещается в магнитное поле, которое генерирует ток положительных и отрицательных частиц Вейля, которые движутся параллельно и антипараллельно полю.

Фермионы, которые можно описать теорией Вейля, могут появляться как квазичастицы в твердых телах, имеющих линейные электронные энергетические зоны, пересекающиеся в так называемых (вейлевских) «узлах», существование которых в объемной зонной структуре неизбежно сопровождается образованием «фермионовских зон». «дуги» на зонной структуре поверхности, которые в основном соединяют пары «проекций» узлов Вейля противоположной киральности. Каждая дуга образует половину петли на верхней поверхности образца, завершаемую дугой на нижней поверхности.

Электроны, удерживаемые дугами Ферми

В исследовании IFW Dresden, подробно описанном в природа, группа исследователей под руководством Сергей Борисенко исследовали полуметалл Вейля платина-висмут (PtBi₂). Этот материал имеет некоторое количество электронов, удерживаемых дугами Ферми на его поверхности. Важно отметить, что дуги на верхней и нижней поверхностях этого материала являются сверхпроводящими, а это означает, что электроны там объединяются в пары и движутся без сопротивления. По словам исследователей, это первый случай, когда сверхпроводимость наблюдалась в дугах Ферми, при этом основная масса оставалась металлической, а эффект возможен благодаря тому, что дуги лежат близко к поверхности Ферми (границе между занятыми и незанятыми электронами). уровни) себя.

Команда получила свой результат, используя метод, называемый фотоэмиссионной спектроскопией с угловым разрешением (ARPES). «Это сложный эксперимент, в котором источник лазерного света излучает фотоны очень низкой энергии при очень низких температурах и под необычно высокими углами излучения», — объясняет Борисенко. Этот свет обладает достаточной энергией, чтобы выбить электроны из образца, и детектор измеряет как энергию, так и угол, под которым электроны выходят из материала. На основе этой информации можно восстановить электронную структуру внутри кристалла.

«Мы изучали PtBi₂ раньше с синхротронным излучением, и, честно говоря, мы не ожидали ничего необычного», — говорит Борисенко. «Однако внезапно мы столкнулись с очень резкой, яркой и сильно локализованной особенностью с точки зрения конечной энергии импульса – как оказалось, с самым узким пиком за всю историю фотоэмиссии из твердых тел».

В своих измерениях исследователи также наблюдали открытие сверхпроводящей энергетической щели внутри дуг Ферми. Поскольку только на этих дугах наблюдались признаки зазора, это означает, что сверхпроводимость полностью ограничивается верхней и нижней поверхностями образца, образуя своего рода сэндвич сверхпроводник-металл-сверхпроводник (как уже упоминалось, основная часть образца металлическая). Эта структура представляет собой внутренний «переход SNS-Джозефсона», объясняет Борисенко.

Настраиваемый переход Джозефсона

И это еще не все: ведь верхняя и нижняя поверхности PtBi₂ имеют различные дуги Ферми, две поверхности становятся сверхпроводящими при разных температурах перехода, а это означает, что материал представляет собой перестраиваемый джозефсоновский переход. Такие структуры представляют большие перспективы для таких приложений, как чувствительные магнитометры и сверхпроводящие кубиты.

Теоретически, PtBi₂ также может быть использован для создания квазичастиц, называемых Нулевые моды Майораны, по предсказаниям, возникнет из-за топологической сверхпроводимости. Если они будут продемонстрированы в эксперименте, их можно будет использовать как чрезвычайно стабильные и отказоустойчивые кубиты для квантовых компьютеров следующего поколения, говорит Борисенко. «Действительно, сейчас мы исследуем возможность анизотропии сверхпроводящей щели в чистом PtBi.₂ и пытаюсь обнаружить подобные объекты в модифицированных монокристаллах материала, чтобы найти способы реализации в нем топологической сверхпроводимости», — рассказывает он. Мир физики.

Однако нулевые моды Майораны обнаружить непросто, но в PtBi₂ они могут появиться, когда в дугах Ферми откроются сверхпроводящие щели. Однако для подтверждения этого потребуется гораздо более детальный анализ электронной структуры материала, говорит Борисенко.

Сочетание двух магнитных материалов

В отдельном исследовании исследователи из Университета штата Пенсильвания объединили ферромагнитный топологический изолятор и антиферромагнитный халькогенид железа (FeTe). Они наблюдали устойчивую киральную сверхпроводимость на границе между двумя материалами – нечто неожиданное, поскольку сверхпроводимость и ферромагнетизм обычно конкурируют друг с другом, объясняет член исследовательской группы. Чао-Син Лю.

«На самом деле это довольно интересно, потому что у нас есть два магнитных материала, которые не являются сверхпроводящими, но мы соединили их вместе, и граница между этими двумя соединениями создает очень надежную сверхпроводимость», — говорит член команды. Цуй-Зу Чанг. «Халькогенид железа является антиферромагнитным, и мы ожидаем, что его антиферромагнитные свойства ослабляются вокруг границы раздела, что приводит к возникновению сверхпроводимости, но нам нужно больше экспериментов и теоретических работ, чтобы проверить, правда ли это, и прояснить механизм сверхпроводимости».

Петли Вейля соединяются

Опять же, система, подробно описанная в Наука, может стать многообещающей платформой для изучения физики Майораны, говорит он.

Борисенко говорит, что данные исследователей из штата Пенсильвания «очень интересны» и, как и в работе его группы, Лю, Чанг и коллеги, похоже, нашли доказательства необычной сверхпроводимости, хотя и на границе другого типа. «В нашей работе поверхность является границей между объемом и вакуумом, а не между двумя материалами», — говорит он.

Исследователи из штата Пенсильвания также стремятся доказать топологическую сверхпроводимость, но они добавили необходимые ингредиенты – нарушение симметрии и топологию – более искусственным способом, объединив соответствующие материалы для формирования гетероструктуры, объясняет он. «В нашем случае, благодаря уникальной природе полуметаллов Weyl, эти ингредиенты естественным образом присутствуют в одном материале».

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/surface-superconductivity-appears-in-topological-materials/