Поверхнева надпровідність з’являється в топологічних матеріалах – Physics World

Дослідники з Інституту дослідження твердого тіла та матеріалів Лейбніца в IFW Dresden, Німеччина, знайшли доказ поверхневої надпровідності в класі топологічних матеріалів, відомих як напівметали Вейля. Цікаво, що надпровідність, яка походить від електронів, обмежених у так званих дугах Фермі, дещо відрізняється на верхній і нижній поверхнях досліджуваного зразка. Це явище можна використати для створення станів Майорани – довго шуканих квазічастинок, які могли б створити надзвичайно стабільні, стійкі до збоїв квантові біти для квантових комп’ютерів наступного покоління. Тим часом інша група в Університеті штату Пенсільванія в США виготовила хіральний топологічний надпровідник шляхом поєднання двох магнітних матеріалів. Штати Майорани також можна знайти в цьому новому матеріалі.

Топологічні ізолятори ізолюють в основному, але надзвичайно добре проводять електрику на своїх краях через спеціальні, топологічно захищені електронні стани. Ці топологічні стани захищені від флуктуацій у своєму оточенні, і електрони в них не розсіюються назад. Оскільки зворотне розсіювання є основним процесом розсіювання в електроніці, це означає, що ці матеріали можуть бути використані для створення високоенергоефективних електронних пристроїв у майбутньому.

Напівметали Вейля — це нещодавно відкритий клас топологічного матеріалу, в якому електронні збудження поводяться як безмасові ферміони Вейля — вперше передбачені в 1929 році фізиком-теоретиком Германом Вейлем як розв’язок рівняння Дірака. Ці ферміони поводяться зовсім інакше, ніж електрони в звичайних металах або напівпровідниках, оскільки вони демонструють хіральний магнітний ефект. Це відбувається, коли метал Вейля поміщається в магнітне поле, яке генерує струм із позитивних і негативних частинок Вейля, які рухаються паралельно та антипаралельно полю.

Ферміони, які можна описати теорією Вейля, можуть з’явитися як квазічастинки в твердих тілах, які мають лінійні електронні енергетичні зони, що перетинаються в так званих (Вейлівських) “вузлах”, існування яких в структурі об’ємної зони неминуче супроводжується утворенням “Фермі дуги» на структурі поверхневих смуг, які в основному з’єднують пари «проекцій» вузлів Вейля протилежної хіральності. Кожна дуга утворює половину петлі на верхній поверхні зразка, що завершується дугою на нижній поверхні.

Електрони, обмежені дугами Фермі

У дослідженні IFW Dresden, яке детально описано в природа, група дослідників під керівництвом Сергій Борисенко вивчав напівметал Вейля платину-вісмут (PtBi₂). Цей матеріал має деякі електрони, обмежені дугами Фермі на його поверхні. Найважливіше те, що дуги на верхній і нижній поверхнях цього матеріалу є надпровідними, тобто електрони там з’єднуються в пари і рухаються без опору. Це перший випадок, коли надпровідність спостерігалася в дугах Фермі, причому маса залишається металевою, кажуть дослідники, і ефект можливий завдяки тому факту, що дуги лежать близько до поверхні Фермі (межі між зайнятими та незайнятими електронами). рівні).

Команда отримала свій результат за допомогою методики фотоемісійної спектроскопії з кутовим розділенням (ARPES). Це складний експеримент, у якому лазерне джерело світла випромінює фотони дуже низької енергії при дуже низьких температурах і під надзвичайно високими кутами випромінювання, пояснює Борисенко. Це світло достатньо енергійне, щоб викинути електрони із зразка, а детектор вимірює як енергію, так і кут, під яким електрони виходять із матеріалу. Електронну структуру кристала можна реконструювати за цією інформацією.

«Ми вивчали PtBi₂ раніше з синхротронним випромінюванням і, чесно кажучи, ми не очікували нічого незвичайного», – каже Борисенко. «Однак раптом ми натрапили на дуже різку, яскраву та дуже локалізовану характеристику кінцевої енергії імпульсу — як виявилося, найвужчий пік за всю історію фотоемісії твердих тіл».

У своїх вимірюваннях дослідники також спостерігали відкриття надпровідної енергетичної щілини в дугах Фермі. Оскільки лише ці дуги мали ознаки розриву, це означає, що надпровідність повністю обмежена верхньою та нижньою поверхнями зразка, утворюючи щось на зразок сендвіча надпровідник-метал-надпровідник (основна частина зразка, як згадувалося, металева). Ця структура являє собою внутрішній «перехід SNS-Джозефсон», пояснює Борисенко.

Настроюваний джозефсонівський перехід

І це ще не все: тому що верхня і нижня поверхні PtBi₂ мають чіткі дуги Фермі, дві поверхні стають надпровідними при різних температурах переходу, що означає, що матеріал є регульованим джозефсонівським переходом. Такі структури багатообіцяючі для додатків, таких як чутливі магнітометри та надпровідні кубіти.

Теоретично PtBi₂ також можна використовувати для створення квазічастинок, які називаються Нульові режими Майорани, за прогнозами, походить від топологічної надпровідності. Якщо їх продемонструвати в експерименті, вони можуть бути використані як надзвичайно стабільні, стійкі до збоїв кубіти для квантових комп’ютерів наступного покоління, каже Борисенко. «Справді, зараз ми досліджуємо можливість анізотропії в надпровідному зазорі в чистому PtBi.₂ і намагаючись виявити подібні об’єкти в модифікованих монокристалах матеріалу, щоб знайти способи реалізації в ньому топологічної надпровідності», — розповідає він. Світ фізики.

Однак нульові моди Майорани нелегко виявити, але в PtBi₂ вони могли з'явитися, коли відкриваються надпровідні щілини в дугах Фермі. Однак, щоб підтвердити це, знадобиться набагато більш детальний аналіз електронної структури матеріалу, каже Борисенко.

Поєднання двох магнітних матеріалів

В окремому дослідженні дослідники Пенсильванського державного університету об’єднали феромагнітний топологічний ізолятор і антиферомагнітний халькогенід заліза (FeTe). Вони спостерігали потужну хіральну надпровідність на межі розділу між двома матеріалами – щось несподіване, оскільки надпровідність і феромагнетизм зазвичай конкурують один з одним, пояснює член дослідницької групи. Чао-Сін Лю.

«Насправді це дуже цікаво, тому що у нас є два магнітні матеріали, які не є надпровідними, але ми об’єднуємо їх, і межа розділу між цими двома сполуками створює дуже надійну надпровідність», – говорить член команди. Цуй-Цу Чанг. «Халькогенід заліза є антиферомагнітним, і ми очікуємо, що його антиферомагнітні властивості послаблюються навколо межі розділу, що призводить до появи надпровідності, але нам потрібні додаткові експерименти та теоретична робота, щоб перевірити, чи це правда, і прояснити механізм надпровідності».

Петлі Вейля зв'язати вгору

Знову ж система, яка детально описана в наука, може бути багатообіцяючою платформою для вивчення фізики Майорани, каже він.

Борисенко каже, що дані дослідників Penn State «дуже цікаві», і, як і в роботі його групи, Лю, Чанг та їхні колеги, схоже, знайшли докази незвичайної надпровідності, хоча й на іншому типі межі розділу. «У нашій роботі поверхня є межею між об’ємом і вакуумом, а не між двома матеріалами», — говорить він.

Дослідники з Пенсильванського університету також прагнуть довести топологічну надпровідність, але вони додали необхідні інгредієнти – порушення симетрії та топологію – більш штучним шляхом, об’єднавши відповідні матеріали разом для формування гетероструктури, пояснює він. «У нашому випадку, завдяки унікальній природі напівметалів Вейля, ці інгредієнти природним чином присутні в одному матеріалі».

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/surface-superconductivity-appears-in-topological-materials/