拓扑材料中出现表面超导 – 物理世界

德国 IFW 德累斯顿莱布尼茨固态与材料研究所的研究人员在一类被称为外尔半金属的拓扑材料中找到了表面超导性的证据。有趣的是，来自被限制在所谓费米弧中的电子的超导性在所研究的样品的顶部和底部表面上略有不同。这种现象可以用来创建马约拉纳态——人们长期以来寻求的准粒子，可以为下一代量子计算机制造极其稳定、容错的量子位。与此同时，美国宾夕法尼亚州立大学的另一个研究小组通过结合两种磁性材料制造了一种手性拓扑超导体。马约拉纳州也可能在这种新材料中被发现。

拓扑绝缘体整体上是绝缘的，但通过特殊的、受拓扑保护的电子态，其边缘的导电性能非常好。这些拓扑态不受环境波动的影响，并且其中的电子不会反向散射。由于反向散射是电子产品中的主要耗散过程，这意味着这些材料将来可能用于制造高能效的电子设备。

韦尔半金属是最近发现的一类拓扑材料，其中电子激发表现为无质量的韦尔费米子——理论物理学家赫尔曼韦尔于 1929 年首次预测为狄拉克方程的解。这些费米子的行为与普通金属或半导体中的电子完全不同，因为它们表现出手性磁效应。当将韦尔金属置于磁场中时，就会发生这种情况，磁场会产生与磁场平行和反平行移动的正负韦尔粒子电流。

可以用韦尔理论描述的费米子可以在固体中以准粒子的形式出现，这些准粒子具有在所谓的（韦尔）“节点”处交叉的线性电子能带，其在体能带结构中的存在不可避免地伴随着“费米”的形成。表面能带结构上的“弧”基本上连接了相反手性的韦尔节点的“投影”对。每个弧在样品的顶表面上形成半个环，由底表面上的弧完成。

电子受限于费米弧

在 IFW Dresden 研究中，详细介绍 自然，由以下人员领导的研究团队 谢尔盖·鲍里森科 研究了外尔半金属铂铋（PtBi₂）。这种材料的表面有一些电子被限制在费米弧内。至关重要的是，这种材料顶部和底部表面的电弧具有超导性，这意味着那里的电子可以配对并毫无阻力地移动。研究人员表示，这是首次在费米弧中观察到超导性，其中大部分仍为金属，并且由于费米弧靠近费米表面（占据和未占据电子之间的边界），因此这种效应是可能的。水平）本身。

该团队使用角分辨光电子能谱（ARPES）技术获得了结果。鲍里森科解释说，这是一个复杂的实验，其中激光光源在非常低的温度和异常高的发射角下提供非常低能量的光子。这种光的能量足以将电子从样品中踢出，探测器可以测量能量和电子离开材料的角度。晶体内的电子结构可以根据这些信息重建。

“我们研究了 PtBi₂ 之前使用同步加速器辐射，说实话，我们并没有预料到会出现任何异常情况，”鲍里森科说。 “然而，突然间，我们在动量端能量方面发现了一个非常尖锐、明亮且高度局域化的特征——事实证明，这是固体光电子发射历史上最窄的峰值。”

在测量中，研究人员还观察到费米弧内超导能隙的打开。由于只有这些电弧显示出间隙的迹象，这意味着超导性完全局限于样品的顶部和底部表面，形成一种超导体-金属-超导体三明治（如上所述，样品的大部分是金属的）。 Borisenko 解释说，这种结构代表了一种内在的“SNS-约瑟夫森连接”。

可调谐约瑟夫森结

这还不是全部：因为 PtBi 的顶面和底面₂ 由于具有明显的费米弧，两个表面在不同的转变温度下变得超导，这意味着该材料是可调谐的约瑟夫森结。这种结构在敏感磁力计和超导量子位等应用中显示出很大的前景。

理论上，PtBi₂ 也可以用来创建称为准粒子 马约拉纳零模式，预测来自拓扑超导。鲍里森科说，如果它们在实验中得到证实，它们可能会被用作下一代量子计算机的极其稳定、容错的量子位。 “事实上，我们目前正在研究纯 PtBi 超导间隙中各向异性的可能性₂ 并试图在材料的改良单晶中发现类似的物体，以找到实现拓扑超导性的方法，”他告诉 物理世界.

然而，马约拉纳零模式并不容易检测到，但在 PtBi 中₂ 当费米弧中的超导间隙打开时，它们可能会出现。然而，鲍里森科表示，需要对该材料的电子结构进行更详细的分析来证实这一点。

结合两种磁性材料

在另一项研究中，宾夕法尼亚州立大学的研究人员将铁磁拓扑绝缘体和反铁磁铁硫族化物 (FeTe) 堆叠在一起。研究小组成员解释说，他们在两种材料之间的界面处观察到了强大的手性超导性，这是出乎意料的，因为超导性和铁磁性通常会相互竞争 刘朝兴.

“这实际上非常有趣，因为我们有两种非超导的磁性材料，但我们将它们放在一起，这两种化合物之间的界面产生了非常强大的超导性，”团队成员说 张翠祖。 “铁硫族化物具有反铁磁性，我们预计其反铁磁性在界面周围减弱，从而产生超导性，但我们需要更多的实验和理论工作来验证这是否属实并阐明超导机制。”

外尔环连接起来

再次，系统详细介绍 科学他说，可能是探索马约拉纳物理学的一个有前途的平台。

鲍里森科说，宾夕法尼亚州立大学研究人员的数据“非常有趣”，正如在他的小组的工作中一样，刘、张和同事似乎发现了不寻常超导性的证据，尽管是在不同类型的界面上。 “在我们的工作中，表面是本体和真空之间的界面，而不是两种材料之间的界面，”他说。

他解释说，宾夕法尼亚州立大学的研究人员还旨在证明拓扑超导性，但他们通过将相关材料组合在一起形成异质结构，以更人为的方式添加了必要的成分——对称性破缺和拓扑。 “在我们的例子中，由于外尔半金属的独特性质，这些成分天然存在于单一材料中。”

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/surface-superconductivity-appears-in-topological-materials/