Chất siêu dẫn cho phép dòng điện chạy qua mà không có điện trở, trong khi chất cách điện tôpô là những màng mỏng chỉ dày vài nguyên tử hạn chế chuyển động của các electron đến các cạnh của chúng, dẫn đến các tính chất độc đáo. Một nhóm nghiên cứu tại Penn State đã tìm ra một phương pháp mới để kết hợp hai vật liệu có tính chất điện đặc biệt. Phương pháp của họ cung cấp cơ sở cho topo máy tính lượng tử ổn định hơn so với các đối tác truyền thống của họ.
Các nhà nghiên cứu trong nghiên cứu này đã sử dụng kỹ thuật epitaxy chùm phân tử để tổng hợp chất cách điện tôpô và chất siêu dẫn phim. Sau đó, họ đã tạo ra một cấu trúc dị thể hai chiều, đây là một nền tảng tuyệt vời để khám phá hiện tượng siêu dẫn tô pô.
Tính siêu dẫn trong các màng mỏng trong các nghiên cứu trước đây để trộn hai vật liệu thường biến mất sau khi lớp cách điện tôpô được phát triển trên cùng. Một tấm cách điện topo đã được các nhà vật lý thêm vào chất siêu dẫn “số lượng lớn” ba chiều, bảo toàn các đặc tính của cả hai vật liệu. Tuy nhiên, các ứng dụng cho chất siêu dẫn tô pô, chẳng hạn như chip có mức tiêu thụ năng lượng thấp bên trong máy tính lượng tử hoặc điện thoại thông minh, sẽ cần phải ở dạng hai chiều.
Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu xếp một màng cách điện tôpô làm từ bismuth selenua (Bi2Se3) với các độ dày khác nhau lên một màng chất siêu dẫn làm từ niobi diselenua đơn lớp (NbSe2), tạo ra sản phẩm cuối cùng hai chiều. Bằng cách tổng hợp các cấu trúc dị thể ở nhiệt độ rất thấp, nhóm đã giữ lại các đặc tính tô pô và siêu dẫn.
Hemian Yi, một học giả sau tiến sĩ trong Nhóm nghiên cứu Chang tại Penn State và là tác giả đầu tiên của bài báo, cho biết: “Trong chất siêu dẫn, các electron tạo thành 'cặp Cooper' và có thể chảy mà không có điện trở, nhưng từ trường mạnh có thể phá vỡ các cặp đó.”
“Màng siêu dẫn đơn lớp mà chúng tôi sử dụng được biết đến với 'tính siêu dẫn kiểu Ising', có nghĩa là các cặp Cooper mạnh mẽ chống lại từ trường trong mặt phẳng. Chúng tôi hy vọng pha siêu dẫn tô pô được hình thành trong các cấu trúc dị thể của chúng tôi sẽ mạnh mẽ theo cách này.”
Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng cấu trúc dị thể đã thay đổi từ tính siêu dẫn kiểu Ising, trong đó spin của electron vuông góc với màng, sang “siêu dẫn kiểu Rashba”, trong đó spin của electron song song với màng, bằng cách thay đổi một cách tinh tế độ dày của chất cách điện tôpô . Hiện tượng này cũng được quan sát thấy trong các tính toán và mô phỏng lý thuyết của các nhà nghiên cứu.
Cấu trúc dị thể này cũng có thể là một nền tảng tốt để khám phá các fermion Majorana. Hạt khó nắm bắt này sẽ làm cho một máy tính lượng tử tô pô ổn định hơn đáng kể so với các máy tính tiền thân của nó.
Cui-Zu Chang, Henry W. Knerr Giáo sư Khởi nghiệp và Phó Giáo sư Vật lý tại Penn State, nói, “Đây là một nền tảng tuyệt vời để khám phá các chất siêu dẫn tôpô và chúng tôi hy vọng rằng chúng tôi sẽ tìm thấy bằng chứng về tính siêu dẫn tôpô trong công việc đang tiếp tục của chúng tôi. Một khi chúng tôi có bằng chứng chắc chắn về tính siêu dẫn tô pô và chứng minh vật lý Majorana, hệ thống này có thể được điều chỉnh cho điện toán lượng tử và các ứng dụng khác.”
Tạp chí tham khảo:
- Cui-Zu Chang, Sự giao thoa từ tính siêu dẫn loại Ising- sang Rashba trong các cấu trúc dị thể Bi2Se3/đơn lớp NbSe2 epiticular, Vật liệu tự nhiên (Năm 2022). DOI: 10.1038 / s41563-022-01386-z
