Supraledare låter den elektriska strömmen passera utan motstånd, medan topologiska isolatorer är tunna filmer som bara är några få atomer tjocka som begränsar elektronernas rörelse till deras kanter, vilket resulterar i unika egenskaper. En forskargrupp kl Penn State har hittat ett nytt sätt att kombinera två material med speciella elektriska egenskaper. Deras metod erbjuder grunden för topologiska kvantdatorer som är mer stabila än sina traditionella motsvarigheter.
Forskare i denna studie använde en molekylär strålepitaxiteknik för att syntetisera en topologisk isolator och supraledare filmer. De skapade sedan en tvådimensionell heterostruktur som är en utmärkt plattform för att utforska fenomenet topologisk supraledning.
Supraledningsförmågan i tunna filmer i tidigare studier för att blanda de två materialen försvinner vanligtvis när ett topologiskt isolatorskikt utvecklas ovanpå. Ett topologiskt isolatorark lades till en tredimensionell "bulk"-supraledare av fysiker, vilket bibehöll båda materialens egenskaper. Applikationer för topologiska supraledare, såsom chips med låg strömförbrukning inuti kvantdatorer eller smartphones, skulle dock behöva vara tvådimensionella.
I denna studie staplade forskarna en topologisk isolatorfilm gjord av vismutselenid (Bi2Se3) med olika tjocklekar på en supraledande film gjord av monolager niobdiselenid (NbSe2), vilket resulterade i en tvådimensionell slutprodukt. Genom att syntetisera heterostrukturerna vid en mycket lägre temperatur behöll teamet de topologiska och supraledande egenskaperna.
Hemian Yi, en postdoktor i Chang Research Group i Penn State och tidningens första författare, sa: "I supraledare bildar elektroner "Cooper-par" och kan flöda med noll motstånd, men ett starkt magnetfält kan bryta dessa par."
"Den enskiktiga supraledarefilmen vi använde är känd för sin "supraledning av Ising-typ", vilket betyder att Cooper-paren är robusta mot magnetfälten i planet. Vi förväntar oss att den topologiska supraledande fasen som bildas i våra heterostrukturer ska vara robust på detta sätt."
Forskarna upptäckte att heterostrukturen ändrades från supraledning av Ising-typ, där elektronspinnet är vinkelrätt mot filmen, till "superledning av Rashba-typ", där elektronspinnet är parallellt med filmen, genom att subtilt ändra tjockleken på den topologiska isolatorn . Detta fenomen observeras även i forskarnas teoretiska beräkningar och simuleringar.
Denna heterostruktur kan också vara en bra plattform för att utforska Majorana-fermioner. Denna svårfångade partikel skulle avsevärt göra en topologisk kvantdator mer stabil än sina föregångare.
Cui-Zu Chang, Henry W. Knerr professor i tidig karriär och docent i fysik vid Penn State, sade, "Detta är en utmärkt plattform för utforskning av topologiska supraledare, och vi hoppas att vi kommer att hitta bevis på topologisk supraledning i vårt fortsatta arbete. När vi väl har solida bevis på topologisk supraledning och demonstrerat Majorana-fysiken, kan detta system anpassas för kvantberäkning och andra tillämpningar."
Tidskriftsreferens:
- Cui-Zu Chang, Crossover från Ising- till Rashba-typ supraledning i epitaxiella Bi2Se3/monolager NbSe2-heterostrukturer, Naturmaterial (2022). DOI: 10.1038 / s41563-022-01386-z
