Površinska superprevodnost se pojavi v topoloških materialih – Svet fizike

Raziskovalci na Leibnizovem inštitutu za raziskave trdne snovi in ​​materialov na IFW Dresden v Nemčiji so našli dokaz za površinsko superprevodnost v razredu topoloških materialov, znanih kot Weyl semimetals. Zanimivo je, da se superprevodnost, ki izvira iz elektronov, omejenih v tako imenovanih Fermijevih lokih, nekoliko razlikuje na zgornji in spodnji površini proučevanega vzorca. Pojav bi lahko uporabili za ustvarjanje Majorana stanj – dolgo iskanih kvazidelcev, ki bi lahko naredili izjemno stabilne kvantne bite, odporne na napake, za kvantne računalnike naslednje generacije. Medtem je druga skupina na univerzi Penn State v ZDA izdelala kiralni topološki superprevodnik s kombinacijo dveh magnetnih materialov. V tem novem gradivu je mogoče najti tudi države Majorana.

Topološki izolatorji so v veliki meri izolacijski, vendar izjemno dobro prevajajo elektriko na svojih robovih prek posebnih, topološko zaščitenih elektronskih stanj. Ta topološka stanja so zaščitena pred nihanji v njihovem okolju in elektroni v njih se ne sipajo nazaj. Ker je povratno sipanje glavni proces disipacije v elektroniki, to pomeni, da bi se ti materiali lahko uporabili za izdelavo visoko energetsko učinkovitih elektronskih naprav v prihodnosti.

Weylovi polkovini so nedavno odkrit razred topološkega materiala, v katerem se elektronska vzbujanja obnašajo kot brezmasni, Weylovi, fermioni – prvi jih je leta 1929 napovedal teoretični fizik Herman Weyl kot rešitev Diracove enačbe. Ti fermioni se obnašajo precej drugače kot elektroni v običajnih kovinah ali polprevodnikih, saj kažejo kiralni magnetni učinek. To se zgodi, ko je Weylova kovina postavljena v magnetno polje, ki ustvari tok pozitivnih in negativnih Weylovih delcev, ki se gibljejo vzporedno in antiparalelno polju.

Fermioni, ki jih je mogoče opisati z Weylovo teorijo, se lahko pojavijo kot kvazidelci v trdnih snoveh, ki imajo linearne elektronske energijske pasove, ki se križajo v tako imenovanih (Weylovih) "vozliščih", katerih obstoj v masivni pasovni strukturi neizogibno spremlja tvorba "Fermijevega" loki" na strukturi površinskega pasu, ki v bistvu povezujejo pare "projekcij" Weylovih vozlišč nasprotne kiralnosti. Vsak lok tvori polovico zanke na zgornji površini vzorca, ki jo zaključuje lok na spodnji površini.

Elektroni omejeni na Fermijeve loke

V študiji IFW Dresden, ki je podrobno opisana v Narava, skupina raziskovalcev pod vodstvom Sergej Borisenko preučeval Weylovo polkovino platina-bizmut (PtBi₂). Ta material ima na svoji površini nekaj elektronov, omejenih na Fermijeve loke. Bistveno je, da so loki na zgornji in spodnji površini tega materiala superprevodni, kar pomeni, da se elektroni tam združijo in premikajo brez upora. To je prvič, da so superprevodnost opazili v Fermijevih lokih, pri čemer glavnina ostaja kovinska, pravijo raziskovalci, učinek pa je možen zaradi dejstva, da loki ležijo blizu Fermijeve površine (meja med zasedenimi in nezasedenimi elektroni stopnje).

Ekipa je dosegla svoj rezultat s tehniko, imenovano fotoemisijska spektroskopija s kotno ločljivostjo (ARPES). To je zapleten poskus, v katerem vir laserske svetlobe oddaja zelo nizkoenergijske fotone pri zelo nizkih temperaturah in pri nenavadno visokih emisijskih kotih, pojasnjuje Borisenko. Ta svetloba je dovolj energična, da izžene elektrone iz vzorca, detektor pa meri energijo in kot, pod katerim elektroni izstopijo iz materiala. Iz teh informacij je mogoče rekonstruirati elektronsko strukturo znotraj kristala.

»Preučevali smo PtBi₂ prej s sinhrotronskim sevanjem in če sem iskren, nismo pričakovali nič nenavadnega,« pravi Borisenko. "Nenadoma pa smo naleteli na zelo ostro, svetlo in zelo lokalizirano značilnost v smislu končne energije impulza - kot se je izkazalo, najožji vrh v zgodovini fotoemisije iz trdnih snovi."

V svojih meritvah so raziskovalci opazili tudi odprtje superprevodne energijske vrzeli znotraj Fermijevih lokov. Ker so samo ti loki kazali znake vrzeli, to pomeni, da je superprevodnost v celoti omejena na zgornjo in spodnjo površino vzorca, ki tvori nekakšen sendvič superprevodnik-kovina-superprevodnik (večji del vzorca je kovinski, kot je omenjeno). Ta struktura predstavlja intrinzično "stičišče SNS-Josephson", pojasnjuje Borisenko.

Nastavljiv Josephsonov spoj

In to še ni vse: ker zgornja in spodnja površina PtBi₂ imata ločene Fermijeve loke, obe površini postaneta superprevodni pri različnih temperaturah prehoda, kar pomeni, da je material nastavljiv Josephsonov spoj. Takšne strukture veliko obetajo za aplikacije, kot so občutljivi magnetometri in superprevodni kubiti.

V teoriji PtBi₂ lahko uporabimo tudi za ustvarjanje kvazidelcev, imenovanih Majorana ničelni načini, ki naj bi izhajala iz topološke superprevodnosti. Če jih pokažemo v poskusu, bi jih lahko uporabili kot izjemno stabilne kubite, odporne na napake, za kvantne računalnike naslednje generacije, pravi Borisenko. "Trenutno preiskujemo možnost anizotropije v superprevodni vrzeli v čistem PtBi₂ in poskuša odkriti podobne objekte v modificiranih monokristalih materiala, da bi našli načine za realizacijo topološke superprevodnosti v njem,« pove. Svet fizike.

Ničelnih načinov Majorana pa ni lahko zaznati, vendar v PtBi₂ lahko se pojavijo, ko se odprejo superprevodne vrzeli v Fermijevih lokih. Za potrditev tega pa bodo potrebne veliko bolj podrobne analize elektronske strukture materiala, pravi Borisenko.

Kombinacija dveh magnetnih materialov

V ločeni študiji so raziskovalci Penn State University zložili skupaj feromagnetni topološki izolator in antiferomagnetni železov halkogenid (FeTe). Opazili so robustno kiralno superprevodnost na vmesniku med obema materialoma – nekaj, kar je nepričakovano, saj superprevodnost in feromagnetizem običajno tekmujeta drug z drugim, pojasnjuje član študijske skupine Chao-Xing Liu.

»Pravzaprav je zelo zanimivo, ker imamo dva magnetna materiala, ki nista superprevodna, vendar ju sestavimo skupaj in vmesnik med tema dvema spojinama povzroči zelo robustno superprevodnost,« pravi član ekipe Cui-Zu Chang. "Železov halkogenid je antiferomagneten in predvidevamo, da bo njegova antiferomagnetna lastnost oslabljena okoli vmesnika, kar bo povzročilo nastajajočo superprevodnost, vendar potrebujemo več poskusov in teoretičnega dela, da preverimo, ali je to res, in da razjasnimo mehanizem superprevodnosti."

Weylove zanke se povežejo

Spet sistem, ki je podrobno opisan v Znanost, bi lahko bila obetavna platforma za raziskovanje fizike Majorane, pravi.

Borisenko pravi, da so podatki raziskovalcev Penn State "zelo zanimivi" in kot pri delu njegove skupine se zdi, da so Liu, Chang in sodelavci našli dokaze o nenavadni superprevodnosti, čeprav na drugačnem tipu vmesnika. "Pri našem delu je površina vmesnik med maso in vakuumom in ne med dvema materialoma," pravi.

Raziskovalci Penn State želijo tudi dokazati topološko superprevodnost, vendar so dodali potrebne sestavine – zlom simetrije in topologijo – na bolj umeten način, tako da so ustrezne materiale združili v heterostrukturo, pojasnjuje. "V našem primeru so zaradi edinstvene narave Weylovih polkovin te sestavine naravno prisotne v enem samem materialu."

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/surface-superconductivity-appears-in-topological-materials/