Fysikere demonstrerer topologisk superledning på palladiumdibismuthider

Jagten på Majorana fermioner, partikler, der er deres egne anti-partikler, i topologiske superledere er af afgørende betydning i det kondenserede stofs fysik i dag. For nylig, et forskerhold ledet af professor Qi-Kun Xue fra Tsinghua University i Kina har rapporteret eksperimentelle beviser for topologisk superledning nær overfladen af ​​epitaksiale β-Bi2Pd-film, og mulige Majorana-nultilstande ved magnetiske hvirvler.

En topologisk superleder er superledende inde i bulken ligesom andre superledere, mens du er på grænsen/overfladen, den huser de længe søgte Majorana-fermioner. Sådanne usædvanlige partikler adlyder ikke-abelske fletningsstatistikker og har potentiale til fejltolerant kvanteberegning, som teoretisk set kan fungere mere effektivt end nuværende computere. En håndfuld topologiske superledere er hidtil blevet foreslået i topologiske isolatorer eller andre systemer med stærk spin-orbital kobling, når de er forbundet med en superleder eller drevet ind i superledende tilstande ved kemisk doping. Imidlertid, der har været lidt opmærksomhed på at søge efter topologisk ikke-triviel båndstruktur i klassiske s-bølge superledere.

Tetragonal β-Bi2Pd blev fundet at være superledende under 5,4 K i 1957. For nylig, vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi har afsløret, at topologisk beskyttede overfladebånd krydser Fermi-niveauet af β-Bi2Pd. De to hovedkriterier for realisering af topologisk superledning eksisterer i denne enkeltkomponentforbindelse. Efterfølgende eksperimentelle søgninger efter den begravede topologiske superledning i β-Bi2Pd faldt alle sammen. Imidlertid, forskerne ved Tsinghua University rapporterer nu topologisk ikke-trivielle superledende tilstande i β-Bi2Pd.

"Vi er motiverede til at opklare, hvorfor den topologiske superledning ikke blev observeret i alle tidligere undersøgelser af β-Bi2Pd-krystaller, det er nu kendt, at tuning af det kemiske potentiale til at isolere de topologiske overfladetilstande fra bulkbånd nær Fermi-niveauet er nøglen til at observere sådanne topologisk ikke-trivielle superledende tilstande, " sagde Yanfeng Lv, den første forfatter til denne undersøgelse, er nu postdoktor ved Texas Center for Superconductivity, University of Houston.

Udgivet i tidsskriftet for Videnskabsbulletin , undersøgelsen brugte en state-of-the-art molekylær stråleepitaksi-teknik under ultrahøjvakuumforhold til at fremstille β-Bi2Pd tynde film af høj kvalitet på SrTiO3-substrater, som derefter blev overført in situ til et kryogent scanningstunnelmikroskopikammer. Tunnelspektret afslørede en udtalt og urenhedsbestandig superledende spalteåbning på overfladen, som synes meget større end bulken på grund af Dirac-fermion forbedret paritetsblanding af overfladeparpotentiale. Den direkte visualisering af den superledende spalteåbning på de topologiske overfladetilstande, samt dens forventede variation med Fermi-niveauet, afslører overbevisende β-Bi2Pd som en lovende kandidat til topologisk superleder. Fremtrædende nul bias konduktans toppe, sandsynligvis fra Majorana nul-tilstande understøttet af sådanne superledende tilstande, blev identificeret for enden af ​​magnetiske hvirvellinjer.

"Denne forskning giver overbevisende beviser for topologisk superledning på β-Bi2Pd og signaturen af ​​Majorana nul-tilstande ved hvirvler, " sagde forskerne, "og endnu vigtigere peger på en ny vej til at søge topologiske parringstilstande på sædvanlige superledere, der kan udvise topologisk ikke-triviel båndstruktur ved konstruktionen af ​​Fermi-niveau."