Nadprądy krawędziowe napędzają kwantowy postęp w nadprzewodnictwie

Badania nad nadprzewodnictwem poczyniły znaczący postęp Uniwersytet Princetonbadania nadprądów krawędziowych w nadprzewodnikach topologicznych, takich jak tellurek molibdenu.

Początkowo nieuchwytne, te nadprądy zaobserwowano i udoskonalono poprzez eksperymenty z niobem, co doprowadziło do intrygujących zjawisk, takich jak przełączanie stochastyczne i antyhistereza, zmieniając zrozumienie zachowania elektronów w nadprzewodnikach.

Nadprzewodnictwo i materiały topologiczne

Od czasu odkrycia nadprzewodnictwo – stan kwantowy, w którym elektrony przepływają bez wytwarzania ciepła – ujawniło bogactwo nowych zjawisk kwantowych. Jednak w tej dziedzinie jest jeszcze wiele do odkrycia. Obecnie fizycy badają nadprądy krawędziowe w materiałach zwanych nadprzewodnikami topologicznymi. Te nadprądy krawędziowe, zlokalizowane na granicach kryształu, są odrębne, ponieważ nie mieszają się z głównymi nadprądami znajdującymi się głębiej w krysztale.

Badanie nadprądów krawędziowych

„Stany graniczne są szczególne” – powiedział N. Phuan Ong, profesor fizyki Eugene Higgins na Uniwersytecie Princeton i główny autor artykułu. „Podobnie jak w dobrze poznanych izolatorach topologicznych, elektroniczne stany brzegowe różnią się od stanów w większości. Badania nad nadprądami krawędziowymi w nadprzewodnikach topologicznych są wciąż w powijakach.”

Badanie nadprądów krawędziowych mogłoby potencjalnie nadać nowy wymiar badaniom nadprzewodnictwa, co może przynieść korzyści przyszłym technologiom nadprzewodnikowym i kwantowym. Jednak przez długi czas dowody na istnienie superprądów brzegowych umykały naukowcom. Pomimo licznych poszukiwań nie udało się go zauważyć.

Przełom w badaniach nadprądów brzegowych

W 2020 roku zespół Princeton opublikował dowody na występowanie nadprądów krawędziowych w tellurku molibdenu (MoTe₂), topologiczny półmetal, który staje się nadprzewodnikiem po ochłodzeniu do temperatury poniżej 100 miliKelwinów, czyli jednej dziesiątej Kelwina powyżej absolutne zero. Materiał ten to półmetal Weyla, nazwany na cześć fizyka Hermana Weyla, który badał teoretycznie właściwości elektronów w fizyce wysokich energii w granicy, gdy ich masa jest ustawiona na zero. Niedawne badania nad materiałami kwantowymi ujawniły „półmetale Weyla”, w których elektrony naśladują zachowanie elektronów Weyla.

Zespół z Princeton zaobserwował nadprądy brzegowe, najpierw schładzając MoTe₂ do 20 miliKelwinów. Kiedy zmieniali przyłożone pole magnetyczne, zaobserwowali szybkie oscylacje prądu krytycznego. Prąd krytyczny to „maksymalny prąd elektryczny, jaki można wprowadzić do kryształu bez niszczenia nadprzewodnictwa” – powiedział Ong. To odkrycie, które potwierdziło istnienie nadprądów krawędziowych w MoTe₂ukazało się w czasopiśmie Science w maju 2020 r.

Od tego czasu Ong i jego współpracownicy kontynuują badania nadprądu brzegowego w MoTe₂. Nowy eksperyment, prowadzony przez Stephana Kima, absolwenta Wydziału Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej, rozpoczął się, gdy naukowcy starali się zwiększyć wewnętrzny potencjał pary tellurku molibdenu, aby móc śledzić oscylacje krawędzi nadprądu do znacznie wyższych pól magnetycznych. Cechą nadprzewodnictwa jest wiązanie dwóch elektronów w pary Coopera. Potencjał pary odnosi się do „kleju”, który łączy dwa elektrony w stanie nadprzewodzącym. Jednak nie wszystkie potencjały par są takie same. Potencjał pary charakterystyczny dla tellurku molibdenu jest bardzo słaby. Stan nadprzewodzący ulega zniszczeniu w stosunkowo słabym polu magnetycznym; umiera również powyżej 100 mK. Klej łączący te pary Cooperów nie będzie się trzymał.

Zwiększanie nadprzewodnictwa za pomocą niobu

„Aby zwiększyć jego wytrzymałość, odparowaliśmy kontakty niobu na wierzchu kryształu tellurku molibdenu” – powiedział Stephan Kim, który przeprowadził pomiary na wysokiej jakości kryształach hodowanych przez profesorów Leslie M. Schoopa i profesora Roberta J. Cavę wraz z postdoktorem Shimingiem Lei w Wydział Chemii.

Wybrano niob, ponieważ jest dobrze poznanym nadprzewodnikiem. Stopy niobu mają kluczowe znaczenie przy wytwarzaniu intensywnych pól magnetycznych w różnorodnych zastosowaniach, od MRI (obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego) po pociągi lewitowane magnetycznie oraz od osocze reaktory termojądrowe po akceleratory cząstek. W niniejszym eksperymencie niob zapewnia potencjał pary około 80 razy silniejszy niż w przypadku tellurku molibdenu.

Kim odparował paski niobu nad kryształem tellurku molibdenu. Używając pasków niobu jako elektrod prądowych, wstrzyknął nadprąd z niobu do tellurku molibdenu.

„Pary niobu Coopera atakują tellurek molibdenu i w miarę dyfuzji przenoszą „pamięć” tego bardzo mocnego kleju do nowego materiału” – powiedział Ong. Jak sugeruje słowo „pamięć”, pary Coopera zachowują się tak, jakby nadal dyfundowały wewnątrz niobu, a nie w tellurku molibdenu, zatem przenoszą pamięć tego mocnego kleju do nowego materiału. Efektem końcowym jest to, że elektrony w krysztale tellurku molibdenu również doświadczają tego silnego potencjału par. Nazywa się to „efektem bliskości” i jest to koncepcja opisująca wyciek potencjału pary do nowego środowiska. Jednak prędzej czy później wstrzyknięte pary Coopera zderzają się z wibracjami sieci w nowym środowisku i pamięć umiera.

Aby wyjaśnić ten scenariusz, Ong podał przybliżoną analogię. Wyobraź sobie dwóch tancerzy w sali balowej, powiedział. Wślizgują się do sąsiedniej sali balowej, w której nie gra żadna muzyka, ale tancerze nadal reagują – tańczą przez jakiś czas – jakby słuchali muzyki. W końcu uświadamiają sobie nowe otoczenie i budząc się w nowej rzeczywistości, przestają tańczyć.

Nieoczekiwane odkrycia i przełączanie stochastyczne

Zgodnie z oczekiwaniami naukowców wstrzyknięcie par Coopera z niobu udało się wydłużyć oscylacje, tak że utrzymywały się one w znacznie wyższych polach magnetycznych (30-krotnie). Ale Ong i Kim wkrótce odkryli kilka rzeczy, których się nie spodziewali.

„W tym miejscu eksperyment stał się interesujący” – powiedział Ong.

Pierwszą rzeczą, którą zauważyli badacze, było to, że klej przeniesiony z niobu do tellurku molibdenu był niezgodny z klejem wewnętrznym.

„To tak, jakbyśmy wprowadzili inwazję gatunek do dziewiczego środowiska, a gatunek inwazyjny był znacznie silniejszy niż gatunek rodzimy” – powiedział Ong.

Rywalizacja o sparowanie dostępnych elektronów stawia silny potencjał pary inwazyjnej o krótkim zasięgu przeciwko słabemu wewnętrznemu potencjałowi pary, który przenika całą objętość. Pierwsza oznaka niezgodności pojawiła się podczas pomiarów prądu krytycznego.

„Zwykle, gdy zwiększasz prąd, ostatecznie osiągasz wartość krytyczną, przy której nadprzewodnictwo ulega zniszczeniu. Dzieje się tak przy bardzo powtarzalnej wartości” – powiedział Ong. „Ale w obliczu tej konkurencji zniszczenie nadprzewodnictwa ma charakter czysto stochastyczny”.

Nazwali to zjawisko „przełączaniem stochastycznym”. Chociaż nadprzewodnictwo jest tłumione w zwykły sposób, jego tłumienie jest nieprzewidywalne i zachodzi stochastycznie z szerokim rozkładem prawdopodobieństwa.

Drugie nieoczekiwane zjawisko pojawiło się, gdy badacze zbadali oscylacje nadprądu brzegowego, które obecnie rozciągają się do 100 okresów dzięki silniejszemu wstrzykniętemu potencjałowi pary. Kim śledził oscylacje podczas powolnego skanowania pola magnetycznego. Jednak wkrótce zauważył uderzającą różnicę pomiędzy skanami przychodzącymi i wychodzącymi. Tutaj „przychodzące” odnosi się do skanów, w których wielkość pola magnetycznego zmniejsza się z czasem do zera (niezależnie od tego, czy pole jest skierowane w górę, czy w dół), natomiast „wychodzące” odnosi się do skanów, w których wielkość wzrasta z czasem.

„W pełni spodziewaliśmy się, że biorąc pod uwagę stochastyczność przełączania, oscylacje będą zawsze przypadkowe lub „zakłócone” – powiedział Ong. Ale stało się tak: oscylacje na gałęzi wychodzącej skanu pola były niezmiennie regularne i okresowe, podczas gdy gałąź przychodząca była „głośna”.

„Dlaczego próbkę powinno obchodzić, czy skanowanie w terenie dotyczy wejścia, czy wyjścia?” powiedział Ong. „Ale tak jest.”

Z tych wyników Ong i Kim wywnioskowali, że szum pojawia się zawsze, gdy pary Coopera na krawędziach przyjmują symetrię parowania inną niż ta w większości tellurku molibdenu; i odwrotnie, gdy symetrie są takie same, oscylacje występują bez hałasu.

Wreszcie trzecim zaobserwowanym zjawiskiem jest właściwość, którą nazywają „antyhisterezą”. Jest to przeciwieństwo dobrze zrozumiałej koncepcji histerezy, która służy do wyjaśnienia opóźnienia występującego w materiałach magnetycznych pomiędzy wejściem a wyjściem. Na przykład we wszystkich nadprzewodnikach wewnętrzne pole magnetyczne znacznie różni się od pola magnetycznego wytwarzanego przez cewkę zewnętrzną. Dzieje się tak, ponieważ zgodnie z koncepcją znaną jako prawo Ampera, zmieniające się pole zewnętrzne powoduje przepływ dużych nadprądów w nadprzewodniku. Zmiany w polu wewnętrznym zawsze opóźniają się w stosunku do zmian w cewkach.

Jednak w eksperymencie zespół odkrył, że w miarę zmieniania pola magnetycznego występowało zjawisko odwrotne. Zmiany te raczej prowadziły niż opóźniały zmiany w polu zewnętrznym. Jest to dokładne przeciwieństwo tego, co można znaleźć w konwencjonalnych nadprzewodnikach.

„Właściwie to było dość dziwaczne” – powiedział Ong. „To tak, jakby materiał wiedział, co się zaraz wydarzy, i natychmiast reagował”.

Badanie zajęło Ongowi i jego zespołowi dwa i pół roku, a odkrycia niewątpliwie dostarczą fizykom wystarczającego materiału do zrozumienia, jak elektrony zachowują się w środowisku o niezgodnych potencjałach par.

„To były ekscytujące dwa i pół roku” – powiedział Ong. „Chociaż postęp był powolny i stopniowy, był w dużej mierze pozytywny. Uważamy, że pokazaliśmy, że istnieje nadprąd brzegowy, który można wykorzystać do podsłuchiwania zachowania elektronów nadprzewodzących”.

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

Prace te były wspierane przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych (DE-SC0017863). Wysiłki związane ze wzrostem kryształów były wspierane przez grant MRSEC z amerykańskiej Narodowej Fundacji Nauki (NSF DMR2011750). Inicjatywa EPiQS Fundacji Gordona i Betty Moore zapewniła dodatkowe hojne wsparcie w postaci dotacji GBMF9466 (NPO) i GBMF9064 (LMS).