Новый способ объединения двух материалов с особыми электрическими свойствами — монослойного сверхпроводника и топологического изолятора — обеспечивает лучшую на сегодняшний день платформу для изучения необычной формы сверхпроводимости, называемой топологической сверхпроводимостью. Комбинация может стать основой для топологических квантовых компьютеров, которые более стабильны, чем их традиционные аналоги.
Сверхпроводники, используемые в мощных магнитах, цифровых схемах и устройствах обработки изображений, позволяют электрическому току проходить без сопротивления, в то время как топологические изоляторы представляют собой тонкие пленки толщиной всего в несколько атомов, которые ограничивают движение электронов к их краям, что может привести к уникальные свойства. Группа исследователей из Университета штата Пенсильвания описывает, как они объединили два материала, в статье, опубликованной 27 октября в журнале. Природные материалы.
«Будущее квантовых вычислений зависит от типа материала, который мы называем топологическим сверхпроводником, который может быть образован путем объединения топологического изолятора со сверхпроводником, но фактический процесс объединения этих двух материалов сложен», — сказал Цуй-Цу Чанг. , Генри В. Кнерр Профессор ранней карьеры и адъюнкт-профессор физики в штате Пенсильвания и руководитель исследовательской группы. «В этом исследовании мы использовали метод, называемый молекулярно-лучевой эпитаксией, для синтеза пленок топологического изолятора и сверхпроводника и создания двумерной гетероструктуры, которая является отличной платформой для изучения явления топологической сверхпроводимости».
В предыдущих экспериментах по объединению двух материалов сверхпроводимость в тонких пленках обычно исчезала, как только сверху наращивался слой топологического изолятора. Физики смогли добавить топологическую изоляторную пленку на трехмерный «объемный» сверхпроводник и сохранить свойства обоих материалов. Однако приложения для топологических сверхпроводников, таких как чипы с низким энергопотреблением внутри квантовых компьютеров или смартфонов, должны быть двумерными.
В этой статье исследовательская группа наложила топологическую изоляторную пленку из селенида висмута (Bi2Se3) различной толщины на сверхпроводящую пленку из монослойного диселенида ниобия (NbSe2), в результате чего получился двумерный конечный продукт. Синтезируя гетероструктуры при очень низкой температуре, команда смогла сохранить как топологические, так и сверхпроводящие свойства.
«В сверхпроводниках электроны образуют «куперовские пары» и могут течь с нулевым сопротивлением, но сильное магнитное поле может разрушить эти пары», — сказал Хемиан Йи, научный сотрудник Исследовательской группы Чанга в Пенсильвании и первый автор статьи. . «Монослойная сверхпроводящая пленка, которую мы использовали, известна своей «сверхпроводимостью изинговского типа», что означает, что куперовские пары очень устойчивы к магнитным полям в плоскости. Мы также ожидаем, что топологическая сверхпроводящая фаза, сформированная в наших гетероструктурах, будет устойчивой. этим способом.”
Тонко регулируя толщину топологического изолятора, исследователи обнаружили, что гетероструктура перешла от сверхпроводимости изинговского типа, где спин электрона перпендикулярен пленке, к другому типу сверхпроводимости, называемому «сверхпроводимостью типа Рашбы». спин электрона параллелен пленке. Это явление также наблюдается в теоретических расчетах и моделировании исследователей.
Эта гетероструктура также может стать хорошей платформой для исследования майорановских фермионов, неуловимой частицы, которая внесет основной вклад в создание топологического квантового компьютера, более стабильного, чем его предшественники.
«Это отличная платформа для исследования топологических сверхпроводников, и мы надеемся, что в нашей продолжающейся работе мы найдем доказательства топологической сверхпроводимости», — сказал Чанг. «Как только мы получим убедительные доказательства топологической сверхпроводимости и продемонстрируем физику Майораны, тогда этот тип системы можно будет адаптировать для квантовых вычислений и других приложений».
Помимо Чанга и И, в исследовательскую группу Пенсильванского университета входят Лун-Хуэй Ху, Юаньси Ван, Рун Сяо, Даниэль Рейфснайдер Хики, Ченгье Донг, И-Фань Чжао, Лин-Цзе Чжоу, Руокси Чжан, Энтони Ричарделла, Насим Алем. , Джошуа Робинсон, Мозес Чан, Нитин Самарт и Чао-Син Лю, а также Цзяци Цай и Сяодун Сюй из Вашингтонского университета.
Эта работа была в основном поддержана MRSEC штата Пенсильвания по наномасштабной науке, а также частично поддержана Национальным научным фондом, Министерством энергетики, Университетом Северного Техаса и Фондом Гордона и Бетти Мур.
Источник истории:
Материалы предоставлено Пенн Стэйт. Оригинал написан Гейл МакКормик. Примечание. Содержимое может быть изменено по стилю и длине.
