ตัวนำยิ่งยวดยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้โดยไม่มีความต้านทาน ในขณะที่ฉนวนทอพอโลยีเป็นฟิล์มบางๆ ที่มีความหนาเพียงไม่กี่อะตอมซึ่งจำกัดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนไปที่ขอบ ทำให้เกิดคุณสมบัติพิเศษเฉพาะตัว ทีมวิจัยที่ รัฐเพนน์ ได้ค้นพบวิธีการใหม่ในการผสมผสานวัสดุทั้งสองที่มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าพิเศษ วิธีการของพวกเขานำเสนอพื้นฐานสำหรับทอพอโลยี คอมพิวเตอร์ควอนตัม ที่มีความเสถียรมากกว่าคู่แข่งแบบเดิม
นักวิจัยในการศึกษาครั้งนี้ใช้เทคนิค epitaxy ลำแสงโมเลกุลเพื่อสังเคราะห์ฉนวนทอพอโลยีและ ตัวนำยิ่งยวด ภาพยนตร์ จากนั้นพวกเขาก็สร้างโครงสร้างเฮเทอโรโครงสร้างสองมิติซึ่งเป็นแพลตฟอร์มที่ยอดเยี่ยมในการสำรวจปรากฏการณ์ของตัวนำยิ่งยวดเชิงทอพอโลยี
ความเป็นตัวนำยิ่งยวดในฟิล์มบางในการศึกษาก่อนหน้านี้เพื่อผสมวัสดุทั้งสองมักจะหายไปเมื่อมีการพัฒนาชั้นฉนวนทอพอโลยีที่ด้านบน แผ่นฉนวนทอพอโลยีถูกเพิ่มเข้าไปในตัวนำยิ่งยวด "จำนวนมาก" สามมิติโดยนักฟิสิกส์ เพื่อรักษาคุณลักษณะของวัสดุทั้งสองไว้ อย่างไรก็ตาม การใช้งานสำหรับตัวนำยิ่งยวดเชิงทอพอโลยี เช่น ชิปที่ใช้พลังงานต่ำภายในคอมพิวเตอร์ควอนตัมหรือสมาร์ทโฟน จะต้องเป็นแบบสองมิติ
ในการศึกษานี้ นักวิจัยได้ซ้อนฟิล์มฉนวนทอพอโลยีที่ทำจากบิสมัทเซเลไนด์ (Bi2Se3) ที่มีความหนาต่างกันบนฟิล์มตัวนำยิ่งยวดที่ทำจากไนโอเบียมไดเซเลไนด์ชั้นเดียว (NbSe2) ส่งผลให้เกิดผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายแบบสองมิติ ด้วยการสังเคราะห์โครงสร้างที่แตกต่างกันที่อุณหภูมิต่ำกว่ามาก ทีมงานยังคงรักษาคุณสมบัติด้านโทโพโลยีและตัวนำยิ่งยวดเอาไว้
Hemian Yi นักวิชาการหลังปริญญาเอกในกลุ่ม Chang Research Group ที่ Penn State และผู้เขียนคนแรกของหนังสือพิมพ์กล่าวว่า “ในตัวนำยิ่งยวด อิเล็กตรอนจะก่อตัวเป็น 'คู่คูเปอร์' และสามารถไหลได้โดยมีความต้านทานเป็นศูนย์ แต่สนามแม่เหล็กแรงสูงสามารถทำลายคู่เหล่านั้นได้”
"ฟิล์มตัวนำยิ่งยวดชั้นเดียวที่เราใช้เป็นที่รู้จักในเรื่อง 'ตัวนำยิ่งยวดชนิด Ising' ซึ่งหมายความว่าคู่ของ Cooper มีความทนทานต่อสนามแม่เหล็กในระนาบ เราคาดหวังว่าเฟสตัวนำยิ่งยวดเชิงทอพอโลยีที่เกิดขึ้นในโครงสร้างเฮเทอโรของเราจะแข็งแกร่งในลักษณะนี้”
นักวิจัยค้นพบว่าโครงสร้างที่แตกต่างเปลี่ยนจากความเป็นตัวนำยิ่งยวดแบบ Ising ซึ่งการหมุนของอิเล็กตรอนตั้งฉากกับฟิล์มเป็น "ความเป็นตัวนำยิ่งยวดแบบ Rashba" ซึ่งการหมุนของอิเล็กตรอนขนานกับฟิล์มโดยการเปลี่ยนความหนาของฉนวนทอพอโลยีอย่างละเอียด . ปรากฏการณ์นี้ยังพบได้ในการคำนวณและการจำลองทางทฤษฎีของนักวิจัยอีกด้วย
โครงสร้างที่แตกต่างนี้อาจเป็นแพลตฟอร์มที่ดีสำหรับการสำรวจเฟอร์มิออนของ Majorana อนุภาคที่เข้าใจยากนี้จะทำให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมทอพอโลยีมีความเสถียรมากกว่ารุ่นก่อนอย่างมาก
Cui-Zu Chang, Henry W. Knerr ศาสตราจารย์ด้านอาชีพช่วงต้นและรองศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์ที่ Penn State, กล่าวว่า, "นี่เป็นแพลตฟอร์มที่ยอดเยี่ยมสำหรับการสำรวจตัวนำยิ่งยวดเชิงทอพอโลยี และเราหวังว่าเราจะพบหลักฐานเกี่ยวกับความเป็นตัวนำยิ่งยวดเชิงทอพอโลยีในงานต่อเนื่องของเรา เมื่อเรามีหลักฐานที่ชัดเจนเกี่ยวกับความเป็นตัวนำยิ่งยวดเชิงทอพอโลยีและสาธิตฟิสิกส์ของ Majorana แล้ว ระบบนี้สามารถนำไปปรับใช้สำหรับการคำนวณควอนตัมและการใช้งานอื่น ๆ ได้”
การอ้างอิงวารสาร:
- Cui-Zu Chang, ครอสโอเวอร์จาก Ising- ถึงความเป็นตัวนำยิ่งยวดชนิด Rashba ในโครงสร้างเฮเทอโรโครงสร้าง Bi2Se3 / monolayer NbSe2 แบบ monolayer วัสดุธรรมชาติ (2022). ดอย: 10.1038 / s41563-022-01386-z
