Ytsupraledning uppträder i topologiska material – Physics World

Ytsupraledning uppträder i topologiska material – Physics World

Tidsstämpel: 20 februari 2024 11:13

supraledande bågar på ytan av Weyl-halvmetallen
En schematisk/konstnärlig representation av de supraledande bågarna på ytan av Weyl-halvmetallen. Med tillstånd: S Borisenko, A Kuibarov och O Suvorov

Forskare vid Leibniz Institute for Solid State and Materials Research vid IFW Dresden, Tyskland, har hittat bevis för ytsupraledning i en klass av topologiska material som kallas Weyl-halvmetaller. Intressant nog är supraledningsförmågan, som kommer från elektroner inneslutna i så kallade Fermi-bågar, något annorlunda på över- och underytan av det studerade provet. Fenomenet skulle kunna användas för att skapa Majorana-tillstånd – länge eftertraktade kvasipartiklar som skulle kunna göra extremt stabila, feltoleranta kvantbitar för nästa generations kvantdatorer. Samtidigt har en annan grupp vid Penn State University i USA tillverkat en kiral topologisk supraledare genom att kombinera två magnetiska material. Majorana-stater kan också finnas i detta nya material.

Topologiska isolatorer är isolerande i huvuddelen men leder elektricitet extremt bra på sina kanter via speciella, topologiskt skyddade, elektroniska tillstånd. Dessa topologiska tillstånd är skyddade från fluktuationer i deras miljö och elektroner i dem sprids inte tillbaka. Eftersom tillbakaspridning är den huvudsakliga spridningsprocessen inom elektronik, betyder detta att dessa material kan användas för att göra mycket energieffektiva elektroniska enheter i framtiden.

Weyl-halvmetaller är en nyligen upptäckt klass av topologiskt material där elektroniska excitationer beter sig som masslösa Weyl-fermioner – först förutspådde 1929 av den teoretiske fysikern Herman Weyl som en lösning av Dirac-ekvationen. Dessa fermioner beter sig helt annorlunda än elektroner i vanliga metaller eller halvledare genom att de visar den kirala magnetiska effekten. Detta inträffar när en Weyl-metall placeras i ett magnetfält, vilket genererar en ström av positiva och negativa Weyl-partiklar som rör sig parallellt och antiparallellt med fältet.

Fermioner som kan beskrivas av Weyls teori kan uppträda som kvasipartiklar i fasta ämnen som har linjära elektronenergiband som korsar sig vid så kallade (Weyl) "noder", vars existens i bulkbandstrukturen oundvikligen åtföljs av bildandet av "Fermi" bågar" på ytbandsstrukturen som i princip förbinder par av "projektioner" av Weyl-noder med motsatt kiralitet. Varje båge bildar halva en slinga på den övre ytan av ett prov kompletterat med en båge på bottenytan.

Elektroner begränsade till Fermi-bågar

I IFW Dresden-studien, som beskrivs i detalj i Natur, ett team av forskare under ledning av Sergey Borisenko studerade Weyl semimetal platina-vismut (PtBi2). Detta material har några elektroner begränsade till Fermi-bågar på sin yta. Avgörande är att bågarna på de övre och undre ytorna av detta material är supraledande, vilket betyder att elektronerna där paras ihop och rör sig utan motstånd. Detta är första gången som supraledning har observerats i Fermi-bågar, där huvuddelen förblir metallisk, säger forskarna, och effekten är möjlig tack vare det faktum att bågarna ligger nära Fermi-ytan (gränsen mellan ockuperade och lediga elektroner). nivåer) själv.

Teamet fick sitt resultat med en teknik som kallas vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi (ARPES). Det här är ett komplicerat experiment där en laserljuskälla levererar fotoner med mycket låg energi vid mycket låga temperaturer och vid ovanligt höga emissionsvinklar, förklarar Borisenko. Detta ljus är tillräckligt energiskt för att sparka ut elektroner från provet och en detektor mäter både energin och vinkeln med vilken elektroner lämnar materialet. Den elektroniska strukturen i kristallen kan rekonstrueras från denna information.

”Vi har studerat PtBi2 tidigare med synkrotronstrålning och för att vara ärlig förväntade vi oss inget ovanligt, säger Borisenko. "Plötsligt kom vi dock över en mycket skarp, ljus och mycket lokaliserad funktion i termer av momentum slutenergi - som det visade sig, den smalaste toppen någonsin i historien om fotoemission från fasta ämnen."

I sina mätningar observerade forskarna också en öppning av ett supraledande energigap inom Fermi-bågarna. Eftersom endast dessa bågar visade tecken på ett gap, betyder det att supraledningsförmågan är helt begränsad till provets övre och undre yta, vilket bildar en sorts supraledare-metall-supraledare sandwich (huvuddelen av provet är metalliskt som nämnts). Denna struktur representerar en inneboende "SNS-Josephson-korsning", förklarar Borisenko.

En avstämbar Josephson-korsning

Och det är inte allt: eftersom de övre och nedre ytorna av PtBi2 har distinkta Fermi-bågar blir de två ytorna supraledande vid olika övergångstemperaturer, vilket betyder att materialet är en avstämbar Josephson-övergång. Sådana strukturer visar mycket lovande för applikationer som känsliga magnetometrar och supraledande qubits.

I teorin, PtBi2 kan också användas för att skapa kvasipartiklar som kallas Majorana nolllägen, som förutspås komma från topologisk supraledning. Om de demonstreras i ett experiment kan de användas som extremt stabila, feltoleranta qubits för nästa generations kvantdatorer, säger Borisenko. "Vi undersöker för närvarande möjligheten av anisotropi i supraledande gap i ren PtBi2 och försöka upptäcka liknande objekt i modifierade enkristaller av materialet för att hitta sätt att realisera topologisk supraledning i det, säger han. Fysikvärlden.

Majorana nolllägen är dock inte lätta att upptäcka, men i PtBi2 de kan uppstå när de supraledande luckorna öppnas i Fermi-bågarna. Det kommer dock att behövas mycket mer detaljerade analyser av materialets elektroniska struktur för att bekräfta detta, säger Borisenko.

Kombinera två magnetiska material

I en separat studie staplade forskare från Penn State University ihop en ferromagnetisk topologisk isolator och en antiferromagnetisk järnkalkogenid (FeTe). De observerade robust kiral supraledning vid gränssnittet mellan de två materialen – något som är oväntat eftersom supraledning och ferromagnetism normalt konkurrerar med varandra, förklarar studieteammedlem Chao-Xing Liu.

"Det är faktiskt ganska intressant eftersom vi har två magnetiska material som inte är supraledande, men vi sätter ihop dem och gränssnittet mellan dessa två föreningar producerar mycket robust supraledning", säger teammedlem Cui-Zu Chang. "Järnkalkogenid är antiferromagnetisk, och vi förväntar oss att dess antiferromagnetiska egenskaper försvagas runt gränssnittet för att ge upphov till den framväxande supraledningsförmågan, men vi behöver fler experiment och teoretiskt arbete för att verifiera om detta är sant och för att klargöra den supraledande mekanismen."

Återigen, systemet, som är detaljerat i Vetenskap, kan vara en lovande plattform för att utforska Majoranas fysik, säger han.

Borisenko säger att data från Penn State-forskarna är "mycket intressanta" och som i hans grupps arbete verkar Liu, Chang och kollegor ha hittat bevis på ovanlig supraledning, om än i en annan typ av gränssnitt. "I vårt arbete är ytan ett gränssnitt mellan bulken och vakuumet snarare än mellan två material", säger han.

Penn State-forskarna syftar också till att bevisa topologisk supraledning, men de har lagt till de nödvändiga ingredienserna – symmetribrytning och topologi – på ett mer artificiellt sätt genom att sammanföra de relevanta materialen för att bilda en heterostruktur, förklarar han. "I vårt fall, på grund av den unika naturen hos Weyl-halvmetaller, finns dessa ingredienser naturligt i ett enda material."

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden