Надпровідники дозволяють електричному струму проходити без опору, тоді як топологічні ізолятори являють собою тонкі плівки товщиною всього в кілька атомів, які обмежують рух електронів до своїх країв, що забезпечує унікальні властивості. Дослідницька група в Penn State знайшов новий спосіб поєднання двох матеріалів із особливими електричними властивостями. Їхній метод пропонує основу для топологічної квантові комп'ютери які є більш стабільними, ніж їхні традиційні аналоги.
Дослідники в цьому дослідженні використовували техніку молекулярно-променевої епітаксії для синтезу топологічного ізолятора та надпровідник фільми. Потім вони створили двовимірну гетероструктуру, яка є чудовою платформою для дослідження явища топологічної надпровідності.
Надпровідність у тонких плівках у попередніх дослідженнях змішування двох матеріалів, як правило, зникає, як тільки зверху розробляється шар топологічного ізолятора. До тривимірного «об’ємного» надпровідника фізики додали лист топологічного ізолятора, зберігши характеристики обох матеріалів. Однак програми для топологічних надпровідників, таких як мікросхеми з низьким енергоспоживанням у квантових комп’ютерах або смартфонах, мають бути двовимірними.
У цьому дослідженні дослідники наклали топологічну ізоляторну плівку з селеніду вісмуту (Bi2Se3) різної товщини на плівку надпровідника з моношарового диселеніду ніобію (NbSe2), що призвело до двовимірного кінцевого продукту. Синтезуючи гетероструктури при дуже низькій температурі, команда зберегла топологічні та надпровідні властивості.
Хеміан Ї, науковий співробітник Дослідницької групи Чанга в Пенсільваніі та перший автор статті, сказав: «У надпровідниках електрони утворюють «куперівські пари» і можуть текти з нульовим опором, але сильне магнітне поле може розірвати ці пари».
«Моношарова плівка надпровідника, яку ми використовували, відома своєю «надпровідністю типу Ізінга», що означає, що куперівські пари стійкі до магнітних полів у площині. Ми очікуємо, що топологічна надпровідна фаза, утворена в наших гетероструктурах, буде надійною таким чином».
Дослідники виявили, що гетероструктура змінилася від надпровідності типу Ізінга, де спін електрона перпендикулярний плівці, до «надпровідності типу Рашба», де спін електрона паралельний плівці, шляхом тонкої зміни товщини топологічного ізолятора. . Це явище також спостерігається в теоретичних розрахунках і моделюванні дослідників.
Ця гетероструктура також може бути хорошою платформою для дослідження ферміонів Майорани. Ця невловима частинка значно зробить топологічний квантовий комп’ютер більш стабільним, ніж його попередники.
Куй-Зу Чанг, Генрі В. Кнерр, професор на початку кар’єри та доцент фізики в Пенсільванському університеті, сказав, «Це чудова платформа для дослідження топологічних надпровідників, і ми сподіваємося, що знайдемо докази топологічної надпровідності в нашій подальшій роботі. Як тільки ми отримаємо переконливі докази топологічної надпровідності та продемонструємо фізику Майорани, цю систему можна буде адаптувати для квантових обчислень та інших застосувань».
Довідка з журналу:
- Cui-Zu Chang, Перехід від надпровідності Ізінга до типу Рашби в епітаксіальних гетероструктурах Bi2Se3/моношару NbSe2, Матеріали природи (2022). DOI: 10.1038 / s41563-022-01386-z
