Superprevodniki omogočajo, da električni tok prehaja brez upora, medtem ko so topološki izolatorji tanke plasti, debele le nekaj atomov, ki omejujejo gibanje elektronov do svojih robov, kar ima za posledico edinstvene lastnosti. Raziskovalna skupina pri Penn State je našel nov način za kombiniranje dveh materialov s posebnimi električnimi lastnostmi. Njihova metoda ponuja osnovo za topološko kvantni računalniki ki so stabilnejši od svojih tradicionalnih primerkov.
Raziskovalci v tej študiji so uporabili tehniko epitaksije z molekularnim žarkom za sintezo topološkega izolatorja in superprevodnik filmi. Nato so ustvarili dvodimenzionalno heterostrukturo, ki je odlična platforma za raziskovanje pojava topološke superprevodnosti.
Superprevodnost v tankih filmih v prejšnjih študijah mešanja obeh materialov običajno izgine, ko se na vrhu razvije plast topološkega izolatorja. Fiziki so tridimenzionalnemu superprevodniku dodali topološko izolatorsko ploščo, pri čemer so ohranili lastnosti obeh materialov. Vendar bi morale biti aplikacije za topološke superprevodnike, kot so čipi z nizko porabo energije v kvantnih računalnikih ali pametnih telefonih, dvodimenzionalne.
V tej študiji so raziskovalci zložili topološki izolatorski film iz bizmutovega selenida (Bi2Se3) različnih debelin na superprevodni film iz enoslojnega niobijevega diselenida (NbSe2), kar je povzročilo dvodimenzionalni končni izdelek. S sintetiziranjem heterostruktur pri zelo nižji temperaturi je ekipa ohranila topološke in superprevodne lastnosti.
Hemian Yi, podoktorski učenjak v raziskovalni skupini Chang na Penn Stateu in prvi avtor prispevka, je dejal, "V superprevodnikih elektroni tvorijo 'Cooperjeve pare' in lahko tečejo z ničelnim uporom, vendar lahko močno magnetno polje prekine te pare."
»Enoslojni superprevodniški film, ki smo ga uporabili, je znan po svoji 'superprevodnosti Isingovega tipa', kar pomeni, da so Cooperjevi pari robustni proti magnetnim poljem v ravnini. Pričakujemo, da bo topološka superprevodna faza, oblikovana v naših heterostrukturah, robustna na ta način.
Raziskovalci so odkrili, da se je heterostruktura spremenila iz superprevodnosti tipa Ising, kjer je vrtenje elektronov pravokotno na film, v "superprevodnost tipa Rashba", kjer je vrtenje elektronov vzporedno s filmom, s subtilno spremembo debeline topološkega izolatorja. . Ta pojav je opazen tudi v teoretičnih izračunih in simulacijah raziskovalcev.
Ta heterostruktura bi lahko bila tudi dobra platforma za raziskovanje Majorana fermionov. Ta izmuzljivi delec bi bistveno naredil topološki kvantni računalnik bolj stabilen od njegovih predhodnikov.
Cui-Zu Chang, Henry W. Knerr, profesor zgodnje kariere in izredni profesor fizike na Penn State, je dejal, »To je odlična platforma za raziskovanje topoloških superprevodnikov in upamo, da bomo v našem nadaljnjem delu našli dokaze o topološki superprevodnosti. Ko bomo imeli trdne dokaze o topološki superprevodnosti in prikazali fiziko Majorane, bi ta sistem lahko prilagodili za kvantno računalništvo in druge aplikacije.«
Referenca dnevnika:
- Cui-Zu Chang, Prehod od Isingove do superprevodnosti tipa Rashba v epitaksialnih Bi2Se3/enoplastnih heterostrukturah NbSe2, Nature Materials (2022). DOI: 10.1038 / s41563-022-01386-z
