Nowe badanie podkreśla, że pewien materiał nadprzewodzący wykazuje unikalne zachowanie elektronów na swoich krawędziach, inne niż w jego wnętrzu. Może to mieć poważne konsekwencje dla rozwoju wydajnych systemów elektrycznych i postępu obliczenia kwantowe technologie.
Materiały topologiczne posiadają niezwykłe właściwości ze względu na ich funkcję falową – prawo fizyczne kierujące elektronami – które są skręcone lub skręcone. Na styku materiału topologicznego z otaczającą przestrzenią funkcja falowa musi się rozluźnić. To nagłe przejście powoduje, że elektrony na krawędzi materiału zachowują się inaczej niż elektrony w masie. Taka rozbieżność skutkuje tym, co naukowcy nazywają stanami brzegowymi.
Jeśli materiał topologiczny również wykazuje nadprzewodnictwo, zarówno masa, jak i krawędź są nadprzewodnikami, mimo to wykazują różne zachowania. To zaskakujący scenariusz, podobny do dwóch dotykających się basenów z wodą, które pozostają oddzielone. Badanie to pokazuje, że nadprzewodzące prądy krawędziowe w materiale topologicznym, tellurku molibdenu (MoTe2) może wytrzymać znaczące zmiany w „kleju”, który utrzymuje pary elektronów nadprzewodzących, co jest czynnikiem krytycznym, ponieważ parowanie elektronów ułatwia swobodny przepływ energii elektrycznej w nadprzewodniku.
Odkrywanie nadprzewodnictwa w materiałach topologicznych
Nadprzewodniki topologiczne reprezentują potencjalną nową klasę nadprzewodników przewidywaną przez teorię. Jeśli zostaną potwierdzone, umożliwią kolejną generację technologii kwantowych, ponieważ zawierają one unikalne cząstki zwane anyonami. W przeciwieństwie do elektronów, każdy pamięta swoją pozycję. Dzięki temu można je zaaranżować tak, aby wykonywały operacje obliczeń kwantowych w sposób chroniący przed błędami.
Nadprzewodniki topologiczne charakteryzują się także występowaniem na ich obrzeżach wyspecjalizowanych prądów, zwanych „nadprądami krawędziowymi”. Prądy te odgrywają zasadniczą rolę w generowaniu i manipulowaniu czymkolwiek, torując drogę rozwojowi technologii kwantowych i energooszczędnej elektroniki.
Obserwowanie nadprądów krawędziowych w MoTe2
Kiedy MoTe2 staje się nadprzewodnikiem, nadprąd (maksymalny prąd, jaki można wtłoczyć bez zniszczenia nadprzewodnictwa) oscyluje w polu magnetycznym. Nadprąd krawędziowy oscyluje szybciej niż w masie, co objawia się charakterystyczną modulacją odpowiedzi masy. Prądy nadprzewodzące przenoszone są przez sparowane elektrony, a klej spajający pary może mieć bardzo różną wytrzymałość i symetrię dla różnych materiałów.
Zwiększanie potencjału par za pomocą niobu
Aby wzmocnić klej (potencjał pary) w MoTe2naukowcy osadzili na nim niob (Nb), ponieważ Nb ma silniejszy potencjał parowania. Potencjał pary Nb rozlewa się na MoTe2 a elektrony w tym ostatnim przez chwilę czują silniejszy klej. Wyciek ten wzmacnia oscylacje nadprądowe, ale także ujawnia niezgodność pomiędzy Nb i MoTe2 potencjały par.
Te dwa elementy nie mogą płynnie się połączyć, a funkcja falowa kierująca elektronami krawędziowymi przełącza się między Nb i MoTe2 potencjał pary, zgodnie z którym potencjał przeważa. Wybór dokonany przez elektrony krawędziowe znajduje odzwierciedlenie w oscylacjach. Są one hałaśliwe, gdy potencjał pary brzegowej różni się od potencjału masowego MoTe2i prawie pozbawiony szumów (jak pokazano na rysunku), gdy oba są takie same.
Badanie to nie tylko potwierdza istnienie nadprądów krawędziowych, ale pokazuje, że można je wykorzystać do monitorowania zachowania elektronów nadprzewodzących w nadprzewodnikach topologicznych.
Odniesienie: „Nadprąd krawędziowy ujawnia konkurencję między kondensatami w nadprzewodniku Weyla”, Stephan Kim, Shiming Lei, Leslie M. Schoop, RJ Cava i NP Ong, 11 stycznia 2024 r., Fizyka Przyrody.
DOI: 10.1038/s41567-023-02316-9
Badania te zostały sfinansowane przez Biuro Naukowe Departamentu Energii, program Podstawowych Nauk o Energii, Narodową Fundację Nauki oraz inicjatywę Fundacji Gordona i Betty Moore Emergent Phenomena in Quantum Systems.
