Непроводящий висмут, легированный сурьмой, оказался топологическим сверхпроводником

Группа учёных из МФТИ, Университета Твенте (нидерл. Universiteit Twente) и Амстердамского университета (нидерл. Universiteit van Amsterdam, UvA) обнаружила способность одного из топологических материалов — непроводящего висмута, легированного сурьмой, — служить сверхпроводником внутри своего объёма. Топологические материалы являются перспективными элементами будущих квантовых устройств, благодаря защищённости своих проводящих свойств. Однако до сих пор не удавалось обнаружить такое поведение этих материалов не в поверхностном слое, а в объёме. Обнаружение такой проводимости может в перспективе значительно увеличить надёжность квантовых устройств. Работа опубликована в Nature Materials.

«Полученный нами результат является, по мнению научного сообщества, первым шагом к реализации нового типа квантовых алгоритмов и должен ускорить проникновение топологических квантовых вычислений в технологии», — сказал соавтор работы, заведующий лабораторией топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ Александр Голубов.

Топологические изоляторы

Существует группа материалов со сложной структурой энергетических зон в объёме. Благодаря этой структуре на их поверхности возникает проводящее состояние с жёсткой зависимостью возможного направления движения электрона от направления его спина. Такие материалы называются топологически защищёнными. Обычно электроны, двигаясь в каком-либо веществе, рассеиваются на примесях, поскольку не существует абсолютно чистых материалов. В случае топологически защищённых материалов такой процесс будет невозможен или, как говорят физики, запрещён, ведь, чтобы перевернуть направление движения, нужно будет перевернуть спин. А спин при отсутствии каких-то магнитных примесей или магнитных полей не будет переворачиваться.

Эта группа материалов называется также топологическими изоляторами. Изоляторами — потому что чаще всего в объёме эти материалы работают как изоляторы, то есть не проводят электрический ток. Но проводят на поверхности. Топологическими — потому что именно их внутренняя топология делает поверхность проводящей.

«Это явление, наверное, более фундаментально, чем закон сохранения энергии и импульса. Потому что сохранение энергии в открытой системе работает с точностью до какого-то взаимодействия: поглотили фотон — у нас энергия изменилась. Импульс сохраняется опять же с точностью до рассеяния на примеси или на поверхности кристалла. Топологические изоляторы гораздо более устойчивы. Мы фактически отнимаем одну степень свободы у электронов. Можно менять электронную структуру внутри кристалла, но проводящее состояние на поверхности будет устойчивым, и его никак нельзя разрушить. Оно защищено и от рассеяния на примесях на поверхности», — поясняет Александр Голубов.

Читайте также  Новый марсоход займётся поиском жизни и соберёт геологическую коллекцию для передачи на Землю

Многообещающе выглядит применение таких материалов в квантовых вычислениях. В этой сфере есть одна проблема — квантовое состояние очень легко разрушить. Квантовая частица живёт в неизменном состоянии до тех пор, пока она не взаимодействует с окружением. Как только возникает взаимодействие с внешней средой, — состояние квантовой частицы получает конечное время жизни. Топологическая защита квантовых состояний, по общему мнению, является самой стабильной. Первые материалы с такими свойствами были получены несколько лет назад. Это полупроводники разного типа: висмут-селен, висмут-теллур и другие.

Эксперимент с дираковским полуметаллом

Новое слово в области создания топологически защищённых материалов — так называемые дираковские полуметаллы. Они характеризуются тем, что защищённые состояния могут быть даже в объёме вещества. Полуметаллами они называются, потому что занимают по электрическим свойствам промежуточное положение между металлами и полупроводниками.

Этот новый класс материалов ещё более интересен для практических приложений, потому что поверхность подвержена любым химическим воздействиям: могут образоваться дефекты, которые всё-таки нарушат эту топологическую защиту. В случае объёмных топологически защищённых состояний разрушить их куда сложнее. Именно этот класс материалов на примере висмута, легированного сурьмой, изучался в рамках проделанного эксперимента. Было показано, что, действительно, топологическая защищённость присутствует в объёме плёнки толщиной несколько сотен нанометров.

Учёные расположили на плёнке из висмут-сурьмы контакты из сверхпроводящего ниобия. По сверхпроводящим электродам из ниобия в заданном направлении пропускался ток, который стимулировал движение электронов в висмут-сурьме от одного электрода к другому. Сверхпроводник позволил получить так называемый Джозефсоновский контакт. Эффект Джозефсона сводится к тому, что при разделении двух сверхпроводников каким-нибудь несверхпроводящим материалом, через этот материал может течь сверхпроводящий бездиссипативный, или джозефсоновский, ток, который будет переноситься куперовскими парами электронов — носителями сверхпроводящего тока.

4π-периодичность тока

Все сверхпроводники характеризуются макроскопической фазой. Текущий через несверхпроводящий материал джозефсоновский ток периодически зависит от разности фаз двух сверхпроводников. В квантовой механике всё 2π-периодично, то есть любая волновая функция не меняется при изменении фазы на 2π. Текущий ток должен иметь синусоидальную зависимость от разности фаз.

Читайте также  CRISPR сделает биоматериалы «умнее»

«Эксперимент показал, что если барьером будет служить топологический изолятор, в котором степень свободы у электрона пропадает, ток будет 4π-периодичным, что интуитивно кажется невероятным», — рассказывает Александр Голубов.

Обнаружение 4π-периодичности текущего через образец тока является прямым доказательством наличия топологической защищённости в объёме исследуемого материала.

Источник: 22century.ru

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Бизнес-идеи и бизнес-планы
Добавить комментарий