การนำยิ่งยวดของพื้นผิวปรากฏในวัสดุทอพอโลยี - Physics World

นักวิจัยจากสถาบัน Leibniz Institute for Solid State and Materials Research ที่ IFW Dresden ประเทศเยอรมนี ได้ค้นพบข้อพิสูจน์เกี่ยวกับความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่พื้นผิวในวัสดุทอพอโลยีประเภทหนึ่งที่เรียกว่า Weyl semimetals สิ่งที่น่าสนใจคือความเป็นตัวนำยิ่งยวดซึ่งมาจากอิเล็กตรอนที่ถูกจำกัดอยู่ในส่วนที่เรียกว่า Fermi arcs นั้นมีความแตกต่างกันเล็กน้อยที่พื้นผิวด้านบนและด้านล่างของตัวอย่างที่ศึกษา ปรากฏการณ์นี้สามารถนำมาใช้เพื่อสร้างสถานะ Majorana ซึ่งเป็นที่ต้องการมานานหลังจาก quasiparticles ซึ่งสามารถสร้างบิตควอนตัมที่มีความเสถียรและทนทานต่อข้อผิดพลาดสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมรุ่นต่อไป ในขณะเดียวกัน อีกกลุ่มหนึ่งที่ Penn State University ในสหรัฐอเมริกาได้ประดิษฐ์ตัวนำยิ่งยวดเชิงทอพอโลยีแบบไครัลโดยการรวมวัสดุแม่เหล็กสองชนิดเข้าด้วยกัน รัฐ Majorana อาจพบได้ในเนื้อหาใหม่นี้

ฉนวนทอพอโลยีเป็นฉนวนจำนวนมาก แต่นำไฟฟ้าได้ดีมากที่ขอบผ่านสถานะอิเล็กทรอนิกส์พิเศษที่มีการป้องกันทอพอโลยี สถานะทอพอโลยีเหล่านี้ได้รับการปกป้องจากความผันผวนของสภาพแวดล้อม และอิเล็กตรอนในนั้นจะไม่กระจายกลับ เนื่องจากการกระเจิงกลับเป็นกระบวนการกระจายหลักในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งหมายความว่าวัสดุเหล่านี้อาจถูกนำมาใช้เพื่อสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ประหยัดพลังงานสูงในอนาคต

ไวล์เซมิเมทัลเป็นคลาสของวัสดุทอพอโลยีที่เพิ่งค้นพบ ซึ่งการกระตุ้นทางอิเล็กทรอนิกส์มีพฤติกรรมเหมือนไวล์ เฟอร์มิออนที่ไม่มีมวล - ทำนายครั้งแรกในปี 1929 โดยนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎี เฮอร์มาน ไวล์ ว่าเป็นคำตอบของสมการดิแรก เฟอร์มิออนเหล่านี้มีพฤติกรรมแตกต่างไปจากอิเล็กตรอนในโลหะธรรมดาหรือเซมิคอนดักเตอร์ตรงที่พวกมันแสดงผลแม่เหล็กไครัล สิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่อวางโลหะไวล์ไว้ในสนามแม่เหล็ก ซึ่งสร้างกระแสของอนุภาคไวล์บวกและลบที่เคลื่อนที่ขนานและตรงกันข้ามกับสนามแม่เหล็ก

เฟอร์มิออนที่สามารถอธิบายได้ด้วยทฤษฎีของไวล์สามารถปรากฏเป็นอนุภาคกึ่งอนุภาคในของแข็งที่มีแถบพลังงานอิเล็กตรอนเชิงเส้นตัดผ่านที่เรียกว่า "โหนด" (ไวล์) ซึ่งการมีอยู่ของโครงสร้างแถบปริมาณมากนั้นย่อมมาพร้อมกับการก่อตัวของ "เฟอร์มี" อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ส่วนโค้ง” บนโครงสร้างแถบพื้นผิวที่โดยทั่วไปเชื่อมต่อคู่ของ "การฉายภาพ" ของโหนด Weyl ที่มี chirality ตรงกันข้าม ส่วนโค้งแต่ละส่วนจะก่อตัวเป็นครึ่งหนึ่งของวงบนพื้นผิวด้านบนของตัวอย่างที่สร้างโดยส่วนโค้งบนพื้นผิวด้านล่าง

อิเล็กตรอนถูกจำกัดอยู่ที่ส่วนโค้งเฟอร์มี

ในการศึกษา IFW Dresden ซึ่งมีรายละเอียดอยู่ใน ธรรมชาติซึ่งเป็นทีมนักวิจัยนำโดย เซอร์เกย์ โบริเซนโก ศึกษาไวล์เซมิเมทัลแพลตตินัม–บิสมัท (PtBi₂). วัสดุนี้มีอิเล็กตรอนบางตัวจำกัดอยู่ที่ส่วนโค้งเฟอร์มีบนพื้นผิว ส่วนโค้งบนพื้นผิวด้านบนและด้านล่างของวัสดุนี้เป็นตัวนำยิ่งยวด ซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนจะจับคู่กันและเคลื่อนที่โดยไม่มีความต้านทาน นักวิจัยกล่าวว่านี่เป็นครั้งแรกที่มีการตรวจพบตัวนำยิ่งยวดในส่วนโค้งของ Fermi โดยมีโลหะเหลืออยู่เป็นจำนวนมาก และผลที่ได้ก็เป็นไปได้ด้วยความจริงที่ว่าส่วนโค้งนั้นอยู่ใกล้กับพื้นผิว Fermi (ขอบเขตระหว่างอิเล็กตรอนที่ถูกครอบครองและว่าง ระดับ) เอง

ทีมงานได้ผลลัพธ์โดยใช้เทคนิคที่เรียกว่า angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) นี่เป็นการทดลองที่ซับซ้อนซึ่งแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ส่งโฟตอนที่พลังงานต่ำมากที่อุณหภูมิต่ำมากและที่มุมการแผ่รังสีที่สูงผิดปกติ Borisenko อธิบาย แสงนี้มีพลังงานมากพอที่จะไล่อิเล็กตรอนออกจากตัวอย่าง และเครื่องตรวจจับจะวัดทั้งพลังงานและมุมที่อิเล็กตรอนออกจากวัสดุ โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ภายในคริสตัลสามารถสร้างขึ้นใหม่ได้จากข้อมูลนี้

“เราได้ศึกษา PtBi แล้ว₂ เมื่อก่อนด้วยรังสีซินโครตรอน และบอกตามตรงว่าเราไม่ได้คาดหวังอะไรผิดปกติ” Borisenko กล่าว “อย่างไรก็ตาม ทันใดนั้น เราก็พบคุณลักษณะที่เฉียบคม สว่าง และอยู่ในตำแหน่งเฉพาะเจาะจงมากในแง่ของพลังงานปลายทางที่เป็นโมเมนตัม ปรากฏว่าเป็นจุดสูงสุดที่แคบที่สุดเท่าที่เคยมีมาในประวัติศาสตร์ของการปล่อยแสงจากของแข็ง”

ในการวัดผล นักวิจัยยังสังเกตเห็นการเปิดช่องว่างพลังงานตัวนำยิ่งยวดภายในส่วนโค้ง Fermi เนื่องจากมีเพียงส่วนโค้งเหล่านี้เท่านั้นที่แสดงสัญญาณของช่องว่าง ซึ่งหมายความว่าตัวนำยิ่งยวดถูกจำกัดอยู่อย่างสมบูรณ์ที่พื้นผิวด้านบนและด้านล่างของตัวอย่าง ทำให้เกิดแซนวิชตัวนำยิ่งยวด-โลหะ-ตัวนำยิ่งยวด (ส่วนใหญ่ของตัวอย่างจะเป็นโลหะดังที่กล่าวไว้) โครงสร้างนี้แสดงถึง "ทางแยก SNS-Josephson" ที่อยู่ภายใน Borisenko อธิบาย

ทางแยกโจเซฟสันที่ปรับแต่งได้

และนั่นไม่ใช่ทั้งหมด เพราะพื้นผิวด้านบนและด้านล่างของ PtBi₂ มีส่วนโค้งแฟร์มีที่แตกต่างกัน พื้นผิวทั้งสองกลายเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านต่างกัน ซึ่งหมายความว่าวัสดุดังกล่าวเป็นจุดเชื่อมต่อโจเซฟสันที่ปรับแต่งได้ โครงสร้างดังกล่าวมีแนวโน้มอย่างมากสำหรับการใช้งาน เช่น แมกนีโตมิเตอร์ที่มีความละเอียดอ่อนและคิวบิตตัวนำยิ่งยวด

ตามทฤษฎีแล้ว PtBi₂ ยังสามารถนำมาใช้สร้าง quasiparticles ที่เรียกว่า โหมดศูนย์ Majoranaคาดการณ์ว่ามาจากความเป็นตัวนำยิ่งยวดเชิงทอพอโลยี หากแสดงให้เห็นในการทดลอง พวกมันอาจถูกใช้เป็นคิวบิตที่มีความเสถียรสูงและทนทานต่อข้อผิดพลาดสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมรุ่นต่อไป Borisenko กล่าว “แท้จริงแล้ว เรากำลังตรวจสอบความเป็นไปได้ของการเกิดแอนไอโซโทรปีในช่องว่างของตัวนำยิ่งยวดใน PtBi บริสุทธิ์₂ และพยายามที่จะค้นพบวัตถุที่คล้ายกันในผลึกเดี่ยวที่ได้รับการดัดแปลงของวัสดุเพื่อค้นหาวิธีในการตระหนักถึงความเป็นตัวนำยิ่งยวดเชิงทอพอโลยีในนั้น” เขากล่าว โลกฟิสิกส์.

โหมดศูนย์ Majorana นั้นไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะตรวจจับ แต่ใน PtBi₂ พวกมันอาจปรากฏขึ้นได้เมื่อช่องว่างของตัวนำยิ่งยวดเปิดในส่วนโค้งเฟอร์มี อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องมีการวิเคราะห์รายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุเพื่อยืนยันเรื่องนี้ Borisenko กล่าว

ผสมผสานวัสดุแม่เหล็กสองชนิดเข้าด้วยกัน

ในการศึกษาแยกกัน นักวิจัยของมหาวิทยาลัย Penn State ได้วางซ้อนกันระหว่างฉนวนทอพอโลยีแบบเฟอร์โรแมกเนติกและชาโคโคไนด์เหล็กต้านเฟอร์โรแมกเนติก (FeTe) พวกเขาสังเกตเห็นความเป็นตัวนำยิ่งยวดของ chiral ที่แข็งแกร่งที่จุดเชื่อมต่อระหว่างวัสดุทั้งสองซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่คาดคิดเนื่องจากความเป็นตัวนำยิ่งยวดและแม่เหล็กไฟฟ้ามักจะแข่งขันกันเองสมาชิกในทีมศึกษาอธิบาย เฉาซิงหลิว.

“จริงๆ แล้วมันค่อนข้างน่าสนใจเพราะเรามีวัสดุแม่เหล็กสองชนิดที่ไม่ใช่ตัวนำยิ่งยวด แต่เรานำมันมารวมกัน และส่วนต่อประสานระหว่างสารประกอบทั้งสองนี้ทำให้เกิดความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่แข็งแกร่งมาก” สมาชิกในทีมกล่าว ฉุยซู่ฉาง. “เหล็ก chalcogenide เป็นสารต้านเฟอร์โรแมกเนติก และเราคาดว่าคุณสมบัติต้านเฟอร์โรแมกเนติกของมันจะลดลงรอบๆ ส่วนต่อประสานเพื่อก่อให้เกิดความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่เกิดขึ้น แต่เราจำเป็นต้องมีการทดลองและงานทางทฤษฎีเพิ่มเติมเพื่อตรวจสอบว่าสิ่งนี้เป็นจริงหรือไม่ และเพื่อชี้แจงกลไกของตัวนำยิ่งยวด”

Weyl loops เชื่อมโยงขึ้น

อีกครั้งหนึ่งระบบซึ่งมีรายละเอียดอยู่ใน วิทยาศาสตร์อาจเป็นแพลตฟอร์มที่มีแนวโน้มสำหรับการสำรวจฟิสิกส์ของ Majorana เขากล่าว

Borisenko กล่าวว่าข้อมูลจากนักวิจัยของ Penn State นั้น "น่าสนใจมาก" และในงานของกลุ่มของเขา Liu, Chang และเพื่อนร่วมงานดูเหมือนจะพบหลักฐานของความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่ผิดปกติ แม้ว่าจะอยู่ที่อินเทอร์เฟซประเภทอื่นก็ตาม “ในงานของเรา พื้นผิวเป็นส่วนเชื่อมต่อระหว่างเทกองกับสุญญากาศ ไม่ใช่ระหว่างวัสดุสองชนิด” เขากล่าว

นักวิจัยของ Penn State ยังมีเป้าหมายที่จะพิสูจน์ความเป็นตัวนำยิ่งยวดของทอพอโลยี แต่พวกเขาได้เพิ่มส่วนผสมที่จำเป็น ได้แก่ การทำลายความสมมาตรและโทโพโลยีด้วยวิธีที่ประดิษฐ์ขึ้นโดยการนำวัสดุที่เกี่ยวข้องมารวมกันเพื่อสร้างโครงสร้างแบบเฮเทอโรโครงสร้าง “ในกรณีของเรา เนื่องจากลักษณะเฉพาะของกึ่งโลหะ Weyl ส่วนผสมเหล่านี้จึงมีอยู่ตามธรรมชาติในวัสดุเดียว”

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai เพิ่มพลังให้กับตัวเอง เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตไอสตรีม. Web3 อัจฉริยะ ขยายความรู้ เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตESG. คาร์บอน, คลีนเทค, พลังงาน, สิ่งแวดล้อม แสงอาทิตย์, การจัดการของเสีย. เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตสุขภาพ เทคโนโลยีชีวภาพและข่าวกรองการทดลองทางคลินิก เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://physicsworld.com/a/surface-superconductivity-appears-in-topological-materials/