Topologi møder supraledelse gennem innovativ prøveforberedelse i omvendt rækkefølge

En banebrydende prøveforberedelsesteknik har gjort det muligt for forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign og University of Tokyo at udføre den hidtil mest kontrollerede og følsomme undersøgelse af en topologisk isolator (TI) tæt forbundet med en superleder (SC). Forskerne observerede den superledende nærhedseffekt - induceret superledning i TI på grund af dens nærhed til SC - og målte dets forhold til temperatur og tykkelsen af ​​TI.

TI'er med induceret superledning er af største interesse for fysikere, fordi de har potentiale til at være vært for eksotiske fysiske fænomener, herunder den undvigende Majorana fermion - en elementarpartikel, der teoretiseres til at være sin egen antipartikel - og for at udvise supersymmetri - et fænomen, der rækker ud over standardmodellen, der ville kaste lys over mange fremragende fysiske problemer. Superledende TI'er holder også et stort løfte for teknologiske applikationer, herunder topologisk kvanteberegning og spintronik.

Naturligt forekommende topologiske superledere er sjældne, og dem, der er blevet undersøgt, har udvist ekstremt små superledende huller og meget lave overgangstemperaturer, begrænser deres anvendelighed til at afdække de interessante fysiske egenskaber og adfærd, der er blevet teoretiseret.

TI'er er blevet brugt til at konstruere superledende topologiske superledere (TI/SC), ved at dyrke TI'er på et superledende substrat. Siden deres eksperimentelle opdagelse i 2007, TI'er har fascineret kondenserede fysikere, og en strøm af teoretisk og eksperimentel forskning, der finder sted rundt om i verden, har undersøgt de kvantemekaniske egenskaber ved denne ekstraordinære materialeklasse. Disse 2D- og 3D -materialer er isolerende i deres masse, men lede elektricitet på deres kanter eller ydre overflader via specielle overfladeelektroniske tilstande, der er topologisk beskyttede, hvilket betyder, at de ikke let kan ødelægges af urenheder eller ufuldkommenheder i materialet.

Men at konstruere sådanne TI/SC -systemer via voksende TI -tynde film på superledende underlag har også vist sig udfordrende, givet flere forhindringer, herunder gitterstruktur mismatch, kemiske reaktioner og strukturelle defekter ved grænsefladen, og andre endnu dårligt forståede faktorer.

Nu, en ny prøve-voksende teknik udviklet ved U. of I. har overvundet disse forhindringer. Udviklet af fysikprofessor James Eckstein i samarbejde med fysikprofessor Tai-Chang Chiang, den nye "flip-chip" TI/SC-prøveudviklingsteknik tillod forskerne at producere lagdelte tynde film af det velstuderede TI-bismuthselenid oven på det prototypiske SC niobium-på trods af deres uforenelige krystallinske gitterstrukturer og den meget reaktive natur af niob.

Disse to materialer tilsammen er ideelle til at undersøge grundlæggende aspekter af TI/SC -fysikken, ifølge Chiang:"Dette er uden tvivl det enkleste eksempel på en TI/SC med hensyn til de elektroniske og kemiske strukturer. Og den SC, vi brugte, har den højeste overgangstemperatur blandt alle elementer i det periodiske system, hvilket gør fysikken mere tilgængelig. Dette er virkelig ideelt; det giver en enklere, mere tilgængeligt grundlag for at udforske det grundlæggende i topologisk superledning, "Chiang kommenterer.

Metoden giver mulighed for meget præcis kontrol over prøvetykkelse, og forskerne kiggede på en rækkevidde på 3 til 10 TI -lag, med 5 atomlag pr. TI lag. Teamets målinger viste, at nærhedseffekten inducerer superledning i både bulk -tilstande og de topologiske overfladetilstande for TI -filmene. Chiang understreger, hvad de så, giver ny indsigt i superledende parring af de spinpolariserede topologiske overfladetilstande.

"Resultaterne af denne forskning er entydige. Vi ser signalet tydeligt, "Chiang opsummerer." Vi undersøgte det superledende hul som en funktion af TI -filmtykkelsen og også som en funktion af temperaturen. Resultaterne er ret enkle:hullet forsvinder, når du går over niobiums overgangstemperatur. Det er godt - det er enkelt. Det viser fysikværkerne. Mere interessant er afhængigheden af ​​filmens tykkelse. Ikke overraskende, vi ser det superledende hul reduceres for at øge TI -filmtykkelsen, men reduktionen er overraskende langsom. Denne observation rejser et spændende spørgsmål om, hvordan parringen på filmoverfladen induceres ved kobling ved grænsefladen. "

Chiang krediterer Eckstein for at udvikle den geniale prøveforberedelsesmetode. Det indebærer at samle prøven i omvendt rækkefølge, oven på et ofresubstrat af aluminiumoxid, almindeligvis kendt som mineralske safir. Forskerne er i stand til at kontrollere det specifikke antal lag af TI -krystaller, der vokser, hver med femdoblet atomtykkelse. Derefter sputter-deponeres et polykrystallinsk superledende lag af niob på toppen af ​​TI-filmen. Prøven vendes derefter om, og offerlaget, der havde tjent som substrat, fjernes ved at slå en "spaltestift". Lagene spaltes præcist ved grænsefladen mellem TI og aluminiumoxid.

Eckstein forklarer, "'Flip-chip'-teknikken virker, fordi lagene ikke er stærkt bundet-de er som en stak papir, hvor der er styrke i stakken, men du kan nemt trække lagene fra hinanden. Her, vi har et trekantet gitter af atomer, som kommer i pakker med fem - disse lag er stærkt bundet. De næste fem lag sidder ovenpå, men er svagt knyttet til de første fem. Det viser sig, det svageste led er lige ved substrat-TI-grænsefladen. Ved spaltning, denne metode giver en ren overflade, uden forurening fra lufteksponering. "

Spaltningen blev udført i et ultrahøjt vakuum, inden for et meget følsomt instrument ved Institute for Solid State Physics ved University of Tokyo, der er i stand til vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi (ARPES) ved en række temperaturer.

Chiang erkender, "De superledende funktioner forekommer ved meget små energivægte - det kræver en meget høj energiopløsning og meget lave temperaturer. Denne del af eksperimentet blev gennemført af vores kolleger på University of Tokyo, hvor de har instrumenterne med følsomheden til at få den opløsning, vi har brug for til denne form for undersøgelse. Vi kunne ikke have gjort dette uden dette internationale samarbejde. "

"Denne nye prøveforberedelsesmetode åbner op for mange nye veje inden for forskning, hvad angår eksotisk fysik, og, På lang sigt, hvad angår mulige nyttige applikationer - potentielt endda inklusive at bygge en bedre superleder. Det vil tillade forberedelse af prøver ved hjælp af en lang række andre TI'er og SC'er. Det kan også være nyttigt i miniaturisering af elektroniske enheder, og i spintronic computing, hvilket ville kræve mindre energi i form af varmeafledning, "Slutter Chiang.

Eckstein tilføjer, "Der er stor spænding ved det her. Hvis vi kan lave et superledende TI, teoretiske forudsigelser fortæller os, at vi kunne finde en ny elementær excitation, der ville gøre en ideel topologisk kvantebit, eller qubit. Vi er der ikke endnu, og der er stadig mange ting at bekymre sig om. Men det ville være en qubit, hvis kvantemekaniske mekaniske bølgefunktion ville være mindre modtagelig for lokale forstyrrelser, der kan forårsage dephasing, ødelægger beregninger. "

Disse resultater blev offentliggjort online den 27. april 2018 i tidsskriftet Videnskab fremskridt .