Yüzey süperiletkenliği topolojik malzemelerde ortaya çıkıyor

Yüzey süperiletkenliği topolojik malzemelerde ortaya çıkıyor

Zaman Damgası: 20 Şubat 2024 11:13

Weyl yarı metalinin yüzeyinde süper iletken yaylar
Weyl yarı metalinin yüzeyindeki süper iletken yayların şematik/sanatsal temsili. Nezaket: S Borisenko, A Kuibarov ve O Suvorov

Almanya, IFW Dresden'deki Leibniz Katı Hal ve Malzeme Araştırma Enstitüsü'ndeki araştırmacılar, Weyl yarı metalleri olarak bilinen bir topolojik malzeme sınıfında yüzey süperiletkenliğine dair kanıt buldular. İlginç bir şekilde, Fermi yayları olarak adlandırılan elektronlardan gelen süperiletkenlik, incelenen numunenin üst ve alt yüzeylerinde biraz farklıdır. Bu fenomen, yeni nesil kuantum bilgisayarlar için son derece kararlı, hataya dayanıklı kuantum bitleri oluşturabilecek, uzun süredir aranan quasipartiküller olan Majorana durumlarını oluşturmak için kullanılabilir. Bu arada ABD'deki Penn State Üniversitesi'ndeki başka bir grup, iki manyetik malzemeyi birleştirerek kiral topolojik bir süper iletken üretti. Majorana durumları da bu yeni materyalde bulunabilir.

Topolojik izolatörler büyük oranda yalıtkandır ancak özel, topolojik olarak korunan elektronik durumlar aracılığıyla elektriği kenarlarında son derece iyi iletirler. Bu topolojik durumlar çevrelerindeki dalgalanmalardan korunur ve içlerindeki elektronlar geri saçılmaz. Geri saçılma, elektronikteki ana dağıtma işlemi olduğundan, bu, bu malzemelerin gelecekte yüksek enerji verimliliğine sahip elektronik cihazlar yapmak için kullanılabileceği anlamına gelir.

Weyl yarı metalleri, elektronik uyarıların kütlesiz Weyl fermiyonları gibi davrandığı yakın zamanda keşfedilen bir topolojik malzeme sınıfıdır; ilk olarak 1929'da teorik fizikçi Herman Weyl tarafından Dirac denkleminin bir çözümü olarak tahmin edilmiştir. Bu fermiyonlar, kiral manyetik etki göstermeleri nedeniyle sıradan metallerdeki veya yarı iletkenlerdeki elektronlardan oldukça farklı davranırlar. Bu, bir Weyl metali, alana paralel ve antiparalel hareket eden pozitif ve negatif Weyl parçacıklarından oluşan bir akım üreten manyetik bir alana yerleştirildiğinde meydana gelir.

Weyl'in teorisiyle tanımlanabilecek fermiyonlar, katılarda (Weyl) "düğümler" olarak adlandırılan doğrusal elektron enerji bantlarına sahip yarı parçacıklar olarak görünebilir; bunların toplu bant yapısında varlığı kaçınılmaz olarak "Fermi" oluşumunun eşlik ettiği bir durumdur. Temel olarak zıt kiraliteye sahip Weyl düğümlerinin "çıkıntıları" çiftlerini birbirine bağlayan yüzey bant yapısı üzerindeki yaylar". Her yay, alt yüzeydeki bir yay ile tamamlanan bir numunenin üst yüzeyindeki bir ilmeğin yarısını oluşturur.

Fermi yaylarıyla sınırlı elektronlar

Ayrıntılı olarak IFW Dresden çalışmasında Tabiatliderliğindeki bir araştırmacı ekibi Sergey Borisenko Weyl yarı metal platin-bizmut (PtBi) üzerinde çalıştı2). Bu malzemenin yüzeyinde Fermi yaylarıyla sınırlı bazı elektronlar vardır. En önemlisi, bu malzemenin üst ve alt yüzeylerindeki yaylar süper iletkendir; bu da buradaki elektronların eşleşip direnç olmadan hareket ettiği anlamına gelir. Araştırmacılar, süperiletkenliğin Fermi yaylarında ilk kez gözlemlendiğini, kütlenin metalik kaldığını ve bu etkinin, yayların Fermi yüzeyine (dolu ve boş elektronlar arasındaki sınır) yakın olması sayesinde mümkün olduğunu söylüyor. seviyeleri) kendisi.

Ekip, sonucunu açı çözümlü fotoemisyon spektroskopisi (ARPES) adı verilen bir teknik kullanarak elde etti. Borisenko, bunun, bir lazer ışık kaynağının çok düşük sıcaklıklarda ve alışılmadık derecede yüksek emisyon açılarında çok düşük enerjili fotonlar sağladığı karmaşık bir deney olduğunu açıklıyor. Bu ışık, elektronları numuneden dışarı atacak kadar enerjiktir ve bir detektör hem enerjiyi hem de elektronların malzemeden çıkış açısını ölçer. Kristalin içindeki elektronik yapı bu bilgiden yeniden oluşturulabilir.

“PtBi'yi inceledik2 Daha önce sinkrotron radyasyonu vardı ve dürüst olmak gerekirse sıra dışı bir şey beklemiyorduk” diyor Borisenko. "Ancak birdenbire momentum ve enerji açısından çok keskin, parlak ve oldukça lokalize bir özellik ile karşılaştık; ortaya çıktığı üzere bu, katılardan foto emisyon tarihinde şimdiye kadarki en dar zirve."

Araştırmacılar, ölçümlerinde Fermi yayları içerisinde süper iletken bir enerji boşluğunun açıldığını da gözlemlediler. Yalnızca bu yaylar bir boşluk belirtisi gösterdiğinden, bu, süperiletkenliğin tamamen numunenin üst ve alt yüzeyleriyle sınırlı olduğu ve bir tür süperiletken-metal-süperiletken sandviç oluşturduğu anlamına gelir (numunenin büyük kısmı belirtildiği gibi metaliktir). Borisenko, bu yapının kendine özgü bir "SNS-Josephson kavşağını" temsil ettiğini açıklıyor.

Ayarlanabilir bir Josephson kavşağı

Hepsi bu kadar da değil: çünkü PtBi'nin üst ve alt yüzeyleri2 Farklı Fermi yayları varsa, iki yüzey farklı geçiş sıcaklıklarında süper iletken hale gelir, bu da malzemenin ayarlanabilir bir Josephson bağlantısı olduğu anlamına gelir. Bu tür yapılar, hassas manyetometreler ve süper iletken kübitler gibi uygulamalar için büyük umut vaat ediyor.

Teorik olarak PtBi2 adı verilen yarı parçacıklar oluşturmak için de kullanılabilir. Majorana sıfır modlarıtopolojik süperiletkenlikten geldiği tahmin ediliyor. Borisenko, eğer bir deneyde gösterilirlerse, yeni nesil kuantum bilgisayarlar için son derece kararlı, hataya dayanıklı kübitler olarak kullanılabileceğini söylüyor. "Aslında şu anda saf PtBi'deki süperiletken boşlukta anizotropi olasılığını araştırıyoruz.2 ve malzemenin değiştirilmiş tek kristallerinde benzer nesneleri keşfetmeye çalışarak içindeki topolojik süperiletkenliği gerçekleştirmenin yollarını bulmaya çalışıyoruz" diyor. Fizik dünyası.

Majorana sıfır modlarının tespit edilmesi kolay değildir ancak PtBi'de2 Fermi yaylarındaki süperiletken boşluklar açıldığında ortaya çıkabilirler. Borisenko, bunu doğrulamak için malzemenin elektronik yapısına ilişkin çok daha ayrıntılı analizlere ihtiyaç duyulacağını söylüyor.

İki manyetik malzemenin birleştirilmesi

Ayrı bir çalışmada, Penn State Üniversitesi araştırmacıları bir ferromanyetik topolojik yalıtkan ve bir antiferromanyetik demir kalkojenidi (FeTe) bir araya getirdiler. Çalışma ekibi üyesi, iki malzeme arasındaki arayüzde güçlü kiral süperiletkenlik gözlemlediklerini açıkladı; süperiletkenlik ve ferromanyetizma normalde birbirleriyle rekabet ettiğinden bu beklenmedik bir şey. Chao-Xing Liu.

Ekip üyesi, "Aslında oldukça ilginç çünkü süperiletken olmayan iki manyetik malzememiz var, ancak bunları bir araya getirdik ve bu iki bileşik arasındaki arayüz çok sağlam bir süperiletkenlik üretiyor" diyor Cui-Zu Chang. "Demir kalkojenit antiferromanyetiktir ve antiferromanyetik özelliğinin arayüz etrafında zayıflayarak ortaya çıkan süperiletkenliğe yol açacağını tahmin ediyoruz, ancak bunun doğru olup olmadığını doğrulamak ve süperiletken mekanizmayı açıklığa kavuşturmak için daha fazla deneye ve teorik çalışmaya ihtiyacımız var."

Yine ayrıntılı olarak açıklanan sistem BilimMajorana fiziğini keşfetmek için umut verici bir platform olabileceğini söylüyor.

Borisenko, Penn State araştırmacılarından elde edilen verilerin "çok ilginç" olduğunu ve kendi grubunun çalışmasında olduğu gibi, Liu, Chang ve meslektaşlarının farklı türde bir arayüzde de olsa olağandışı süperiletkenliğe dair kanıtlar bulduklarını söylüyor. "Çalışmamızda yüzey, iki malzeme arasında değil, kütle ile vakum arasındaki bir arayüzdür" diyor.

Penn State araştırmacıları da topolojik süperiletkenliği kanıtlamayı amaçlıyor ancak ilgili malzemeleri bir heteroyapı oluşturmak üzere bir araya getirerek gerekli bileşenleri (simetri kırma ve topoloji) daha yapay bir şekilde eklediklerini açıklıyor. "Bizim durumumuzda Weyl yarı metallerinin benzersiz doğası nedeniyle bu bileşenler doğal olarak tek bir malzemede mevcut."

Zaman Damgası:

Den fazla Fizik dünyası