Første todimensionelle materiale, der fungerer som både topologisk isolator og superleder

En transistor baseret på 2-D-materialet wolfram ditellurid (WTe ₂ ) klemt mellem bornitrid kan skifte mellem to forskellige elektroniske tilstande - en der kun leder strøm langs kanterne, gør det til en topologisk isolator, og en der leder strøm uden modstand, gør det til en superleder – forskere ved MIT og kolleger fra fire andre institutioner har demonstreret.

Ved hjælp af fire-sonde målinger, en almindelig kvanteelektronisk transportteknik til måling af materialers elektroniske adfærd, forskerne afbildede den nuværende bæreevne og modstandskarakteristika for den todimensionale wolfram-ditelluridtransistor og bekræftede deres fund på tværs af en række anvendte spændinger og eksterne magnetfelter ved ekstremt lave temperaturer.

"Det er første gang, at det nøjagtig samme materiale kan indstilles enten til en topologisk isolator eller til en superleder, "siger Pablo Jarillo-Herrero, Cecil og Ida Green professor i fysik ved MIT. "Vi kan gøre dette ved regelmæssig elektrisk felteffekt ved hjælp af almindelige, standard dielektrik, så stort set den samme type teknologi, som du bruger i standard halvlederelektronik. "

Ny klasse materialer

"Dette er den første af en ny klasse af materialer - topologiske isolatorer, der kan indstilles elektrisk til superledere - hvilket åbner mange muligheder, som før der var betydelige forhindringer at realisere, "Siger Jarillo-Herrero." At have et materiale, hvor du kan gøre dette problemfrit inden for det samme materiale for at overgå mellem denne topologiske isolator og superleder, er noget, der potentielt er meget attraktivt. "

Wolfram ditellurid, som er et af overgangsmetalldichalcogenidmaterialerne, er klassificeret som et halvmetal og leder elektricitet som metaller i bulkform. De nye resultater beskriver, at i en enkeltlags krystalform, ved temperaturer fra mindre end 1 kelvin til flydende nitrogenområde (-320,4 grader Fahrenheit), wolfram ditellurid er vært for tre forskellige faser:topologisk isolerende, superledende, og metallisk. En påført spænding driver overgangen mellem disse faser, som varierer med temperatur og elektronkoncentration. I superledende materialer, elektroner strømmer uden modstand og genererer ingen varme.

De nye fund er blevet offentliggjort online i tidsskriftet Videnskab . Valla Fatemi Ph.D. '18, der nu er postdoc i Yale, og postdoc Sanfeng Wu, der er Pappalardo -stipendiat på MIT, er co-første forfattere af papiret med seniorforfatter Jarillo-Herrero. Medforfatterne er MIT-kandidatstuderende Yuan Cao; Landry Bretheau Ph.D. '18 fra École Polytechnique i Frankrig; Quinn D. Gibson fra University of Liverpool i Storbritannien; Kenji Watanabe og Takashi Taniguchi fra National Institute for Materials Science i Japan; og Robert J. Cava, professor i kemi ved Princeton University.

Som en kvantetråd

Det nye arbejde bygger på en rapport tidligere på året af forskerne, der demonstrerer quantum spin Hall -effekten (QSH), som er det signaturfysiske fænomen, der ligger til grund for todimensionelle topologiske isolatorer, i samme enkeltlag wolfram ditelluridmateriale. Denne kantstrøm styres af elektronernes spin snarere end af deres ladning, og elektroner med modsat spin bevæger sig i modsatte retninger. Denne topologiske egenskab er altid til stede i materialet ved kolde temperaturer.

Denne kvantespin Hall-effekt varede op til en temperatur på omkring 100 kelvin (-279,67 grader F). "Så det er den højeste temperatur 2-D topologiske isolator hidtil, "siger postdoc Sanfeng Wu, som også var førsteforfatter til det tidligere papir. "Det er meget vigtigt for en interessant kvantetilstand som denne at overleve ved høje temperaturer til brug for applikationer."

Denne adfærd, hvor kanterne af wolfram ditelluridmateriale virker som en kvantetråd, blev forudsagt i 2014 i en teoretisk artikel af lektor i fysik Liang Fu og Ju Li, en professor i atomvidenskab og teknik og materialevidenskab og teknik. Materialer med disse kvaliteter søges til spintronic- og kvanteberegningsudstyr.

Selvom det topologiske isolerende fænomen blev observeret ved op til 100 kelvin, den superledende adfærd i det nye arbejde skete ved en meget lavere temperatur på omkring 1K.

Dette materiale har den fordel, at det kommer ind i den superledende tilstand med en af ​​de laveste tætheder af elektroner for enhver 2-D-superleder. "Det betyder, at den lille bærertæthed, der er nødvendig for at gøre den til en superleder, er en, som du kan inducere med normale dielektrika, med almindelige dielektrikere, og ved hjælp af et lille elektrisk felt, "Jarillo-Herrero forklarer.

Behandler resultaterne af topologisk isolerende adfærd i 2-D wolframtellurid i det første papir, og resultaterne af superledning i den anden, Wu siger, "Det er tvillingepapirer, hver af dem er smuk og sammensat, deres kombination kan være meget kraftfuld. "Wu foreslår, at fundene peger på vejen for undersøgelse af 2-D topologiske materialer og kan føre vejen til et nyt materialegrundlag for topologiske kvantecomputere.

Wolfram-ditellurid-krystallerne blev dyrket på Princeton University, mens bornitrid-krystallerne blev dyrket på National Institute for Materials Science i Japan. MIT-holdet byggede de eksperimentelle enheder, udførte de elektroniske transportmålinger ved ultrakolde temperaturer, og analyserede data på instituttet.

Samtidig opdagelse

Jarillo-Herrero bemærker, at denne opdagelse af, at monolags wolfram ditellurid kan indstilles til en superleder ved hjælp af standard halvleder-nanofabrikation og elektriske felteffektteknikker samtidigt blev realiseret af en konkurrerende gruppe af samarbejdspartnere, herunder professor David Cobden ved University of Washington og lektor Joshua Folk ved University of British Columbia. (Deres artikel-"Portinduceret superledning i en topologisk isolator i et enkelt lag"-udgives samtidigt online i Videnskab Første udgivelse.)

"Det blev udført uafhængigt i begge grupper, men vi gjorde begge den samme opdagelse, " siger Jarillo-Herrero. "Det er det bedste, der kan ske, at din store opdagelse straks bliver reproduceret. Det giver ekstra tillid til samfundet, at dette er noget, der er meget reelt. "

Jarillo-Herrero blev valgt som fellow i American Physical Society tidligere i år baseret på hans afgørende bidrag til kvanteelektronisk transport og optoelektronik i todimensionelle materialer og enheder.

Træd mod kvanteberegning

Et særligt område, hvor denne nye kapacitet kan være nyttig, er realiseringen af ​​Majorana -tilstande ved grænsefladen mellem topologisk isolerende og superledende materialer. Først forudsagt af fysikere i 1937, Majorana fermioner kan betragtes som elektroner opdelt i to dele, som hver især opfører sig som en uafhængig partikel. Disse fermioner er endnu ikke fundet som elementære partikler i naturen, men kan dukke op i visse superledende materialer nær den absolutte nultemperatur.

"Det er interessant i sig selv fra et grundlæggende fysisk synspunkt, og derudover det har udsigt til at være af interesse for topologisk kvanteberegning, som er en særlig type kvanteberegning, "Siger Jarillo-Herrero.

Det unikke ved Majorana -tilstande ligger i deres eksotiske adfærd, når man bytter deres positioner, en operation, som fysikere kalder "fletning", fordi de tidsafhængige spor af disse byttende partikler ligner en fletning. Fletningsoperationer kan ikke ændre kvantetilstande for regelmæssige partikler som elektroner eller fotoner, men fletning af Majorana -partikler ændrer deres kvantetilstand fuldstændigt. Denne usædvanlige ejendom, kaldet "ikke-abelsk statistik, "er nøglen til at realisere topologiske kvantecomputere. Et magnetisk hul er også nødvendigt for at fastgøre Majorana -tilstand på et sted.

"Dette værk er ret smukt, "siger Jason Alicea, professor i teoretisk fysik ved Caltech, som ikke var involveret i denne undersøgelse. "De grundlæggende ingredienser, der er nødvendige for at konstruere Majorana -tilstande - superledning og spaltning af kanttilstande ved magnetisme - er nu blevet demonstreret separat i WTe2."

"I øvrigt, observation af iboende superledning ved gating er potentielt en stor fordel for avancerede anvendelser af Majorana-tilstande, f.eks., fletning for at demonstrere ikke-abelsk statistik. Til denne ende, man kan forestille sig at designe kompleks, dynamisk indstillelige netværk af superledende kvante-spin-Hall-kanttilstande ved elektrostatiske midler. "siger Alicea." Mulighederne er meget spændende. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.