ТИ с индуцированной сверхпроводимостью представляют первостепенный интерес для физиков, потому что они потенциально способны вместить экзотические физические явления, в том числе неуловимый майорановский фермион — элементарная частица, предположительно являющаяся ее собственной античастицей — и проявлять суперсимметрию — явление, выходящее за рамки обычного. стандартная модель, которая прольет свет на многие нерешенные проблемы физики. Сверхпроводящие ТИ также открывают огромные перспективы для технологических приложений, включая топологические квантовые вычисления и спинтронику.
Встречающиеся в природе топологические сверхпроводники редки, и те, которые были исследованы, демонстрируют чрезвычайно маленькие сверхпроводящие щели и очень низкие температуры перехода, что ограничивает их полезность для выявления интересных физических свойств и поведения, которые теоретизировались.ТИ использовались в разработке сверхпроводящих топологических сверхпроводников (TI / SC) путем выращивания ТИ на сверхпроводящей подложке. С момента своего экспериментального открытия в 2007 году ТИ заинтриговали физиков конденсированных сред, и шквал теоретических и экспериментальных исследований, проводимых по всему миру, позволил изучить квантово-механические свойства этого экстраординарного класса материалов. Эти 2D- и 3D-материалы изолируют в своей массе, но проводят электричество по своим краям или внешним поверхностям через специальные поверхностные электронные состояния, которые топологически защищены, что означает, что они не могут быть легко разрушены примесями или дефектами в материале.
Но создание таких систем TI / SC путем выращивания тонких пленок TI на сверхпроводящих подложках также оказалось сложной задачей, учитывая ряд препятствий, включая несоответствие структуры решетки, химические реакции и структурные дефекты на границе раздела, а также другие, пока еще плохо изученные факторы.Теперь новая методика выращивания образцов, разработанная в Университете штата Айленд, преодолела эти препятствия. Разработанный профессором физики Джеймсом Экстайном в сотрудничестве с профессором физики Тай-Чанг Чан, новая технология выращивания образцов TI / SC позволила ученым получать слоистые тонкие пленки хорошо изученного селенида висмута TI поверх прототип SC ниобия — несмотря на их несовместимые структуры кристаллической решетки и высоко реактивную природу ниобия.
Эти два материала, взятые вместе, идеально подходят для исследования фундаментальных аспектов физики TI / SC, по словам Чанга: «Это, возможно, самый простой пример TI / SC с точки зрения электронной и химической структур. И SC, который мы использовали, имеет — самая высокая температура перехода среди всех элементов периодической таблицы, что делает физику более доступной. Это действительно идеальный вариант; он обеспечивает более простую и доступную основу для изучения основ топологической сверхпроводимости », — комментирует Чан.Этот метод позволяет очень точно контролировать толщину образца, и ученые рассмотрели диапазон от 3 до 10 слоев TI, с 5 атомными слоями на слой TI.
Измерения команды показали, что эффект близости вызывает сверхпроводимость как в объемных состояниях, так и в топологических поверхностных состояниях пленок TI. Чан подчеркивает, что увиденное дает новое понимание сверхпроводящего спаривания спин-поляризованных топологических поверхностных состояний.«Результаты этого исследования однозначны. Мы ясно видим сигнал», — резюмирует Чан. «Мы исследовали сверхпроводящий зазор как функцию толщины пленки TI, а также как функцию температуры.
Результаты довольно просты: зазор исчезает, когда вы поднимаетесь выше температуры перехода ниобия. Это хорошо — это просто.
Это показывает, что физика работает .Более интересна зависимость от толщины пленки. Неудивительно, что мы видим, что сверхпроводящая щель уменьшается с увеличением толщины пленки TI, но это уменьшение происходит на удивление медленно. Это наблюдение поднимает интригующий вопрос о том, как происходит спаривание на поверхности пленки. вызвано взаимодействием на интерфейсе ".
Чанг считает, что Экштейн разработал гениальный метод подготовки проб. Он включает сборку образца в обратном порядке на жертвенную подложку из оксида алюминия, обычно известного как минеральный сапфир. Ученые могут контролировать определенное количество слоев кристаллов TI, каждый из которых имеет пятикратную атомную толщину. Затем поверх пленки TI напылением наносится поликристаллический сверхпроводящий слой ниобия.
Затем образец переворачивают, и жертвенный слой, служивший субстратом, удаляют, ударяя по «шпильке для расщепления». Слои скалываются точно на границе раздела ТИ и оксида алюминия.Экштейн объясняет: «Техника« перевернутого чипа »работает, потому что слои не связаны прочно — они похожи на стопку бумаги, в которой есть сила, но вы можете легко разобрать слои.
Здесь мы имеют треугольную решетку атомов, которая поставляется в упаковках по пять — эти слои прочно связаны. Следующие пять слоев находятся наверху, но слабо связаны с первыми пятью. Оказывается, самое слабое звено находится прямо у подложки. -TI интерфейс. При скалывании этот метод дает чистую поверхность без загрязнения от воздействия воздуха ».
Расщепление проводилось в сверхвысоком вакууме с помощью высокочувствительного прибора в Институте физики твердого тела Токийского университета, способного выполнять фотоэмиссионную спектроскопию с угловым разрешением (ARPES) в широком диапазоне температур.Чан признает: «Сверхпроводящие свойства проявляются в очень малых масштабах энергии — это требует очень высокого разрешения по энергии и очень низких температур.
Эта часть эксперимента была завершена нашими коллегами из Токийского университета, где у них есть инструменты с чувствительность, чтобы получить разрешение, необходимое для такого рода исследований. Мы не смогли бы сделать это без международного сотрудничества ».«Этот новый метод подготовки образцов открывает множество новых возможностей в исследованиях с точки зрения экзотической физики и, в долгосрочной перспективе, с точки зрения возможных полезных применений — потенциально даже включая создание более совершенного сверхпроводника.
Он позволит готовить образцы с использованием широкий спектр других TI и SC. Он также может быть полезен при миниатюризации электронных устройств и в спинтронных вычислениях, которые потребуют меньше энергии с точки зрения рассеивания тепла », — заключает Чианг.Экштейн добавляет: «Это вызывает большое волнение.
Если мы сможем создать сверхпроводящий ТИ, теоретические предсказания говорят нам, что мы могли бы найти новое элементарное возбуждение, которое сделало бы идеальный топологический квантовый бит или кубит. тем не менее, и есть еще много вещей, о которых нужно беспокоиться. Но это будет кубит, квантово-механическая волновая функция которого будет менее восприимчива к локальным возмущениям, которые могут вызвать расфазировку и испортить вычисления ».