Forskere opdager en superstrøm ved kanten af ​​en superleder med et topologisk twist

En opdagelse, der længe undgik fysikere, er blevet opdaget i et laboratorium i Princeton. Et team af fysikere opdagede superledende strømme - elektronstrømmen uden at spilde energi - langs ydersiden af ​​et superledende materiale. Fundet blev offentliggjort i tidsskriftet 1. maj Videnskab .

Superlederen, som forskerne undersøgte, er også et topologisk halvmetal, et materiale, der kommer med sine egne usædvanlige elektroniske egenskaber. Fundet tyder på måder at låse op for en ny æra med "topologisk superledning", der kan have værdi for kvanteberegning.

"Så vidt vi ved, dette er den første observation af en kant -superstrøm i enhver superleder, "sagde Nai Phuan Ong, Princetons Eugene Higgins professor i fysik og seniorforfatteren på undersøgelsen.

”Vores motiverende spørgsmål var, Hvad sker der, når materialets indre ikke er en isolator, men en superleder? "Sagde Ong." Hvilke nye træk opstår, når der opstår superledning i et topologisk materiale? "

Selvom konventionelle superledere allerede nyder udbredt anvendelse inden for magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) og langdistancetransmissionslinjer, nye former for superledning kan frigøre evnen til at bevæge sig ud over grænserne for vores velkendte teknologier.

Forskere ved Princeton og andre steder har undersøgt forbindelserne mellem superledning og topologiske isolatorer-materialer, hvis ikke-konforme elektroniske adfærd var genstand for Nobelprisen i fysik i 2016 til F. Duncan Haldane, Princetons Sherman Fairchild University Professor i fysik.

Topologiske isolatorer er krystaller, der har et isolerende indre og en ledende overflade, som en brownie pakket ind i stanniol. Ved ledning af materialer, elektroner kan hoppe fra atom til atom, tillader elektrisk strøm at strømme. Isolatorer er materialer, hvor elektronerne sidder fast og ikke kan bevæge sig. Dog nysgerrigt, topologiske isolatorer tillader bevægelse af elektroner på deres overflade, men ikke i deres indre.

For at undersøge superledning i topologiske materialer, forskerne vendte sig til et krystallinsk materiale kaldet molybdæn ditellurid, som har topologiske egenskaber og også er en superleder, når temperaturen falder under en frigid 100 milliKelvin, som er -459 grader Fahrenheit.

"De fleste af de hidtidige eksperimenter har involveret forsøg på at 'injicere' superledning i topologiske materialer ved at placere det ene materiale tæt på det andet, "sagde Stephan Kim, en kandidatstuderende i elektroteknik, der gennemførte mange af eksperimenterne. "Det, der er anderledes ved vores måling, er, at vi ikke injicerede supraledelse, og alligevel var vi i stand til at vise underskrifter fra kanttilstande."

Teamet dyrkede først krystaller i laboratoriet og afkølede dem derefter til en temperatur, hvor der opstår superledning. De påførte derefter et svagt magnetfelt, mens de målte strømmen gennem krystallen. De observerede, at en mængde kaldet den kritiske strøm viser svingninger, der fremstår som et savtandsmønster, når magnetfeltet øges.

Både svingningernes højde og svingningsfrekvensen passer med forudsigelser om, hvordan disse udsving opstår fra elektronernes kvanteadfærd, der er begrænset til materialernes kanter.

Forskere har længe vidst, at supraledelse opstår, når elektroner, som normalt bevæger sig tilfældigt, binde sig til to for at danne Cooper -par, som på en måde danser i samme takt. "En grov analogi er en milliard par, der udfører den samme stramt scriptede dansekoreografi, "Sagde Ong.

Scriptet, elektronerne følger, kaldes superlederens bølgefunktion, som groft kan betragtes som et bånd strakt langs den superledende ledning, Sagde Ong. Et lille twist af bølgefunktionen tvinger alle Cooper -par i en lang ledning til at bevæge sig med den samme hastighed som et "superfluid" - med andre ord, der fungerer som en enkelt samling snarere end som individuelle partikler - der flyder uden at producere varme.

Hvis der ikke er vridninger langs båndet, Ong sagde, alle Cooper -par er stationære og ingen strømstrømme. Hvis forskerne udsætter superlederen for et svagt magnetfelt, dette tilføjer et yderligere bidrag til den vridning, som forskerne kalder den magnetiske flux, hvilken, for meget små partikler såsom elektroner, følger kvantemekanikkens regler.

Forskerne forventede, at disse to bidragydere til antallet af vendinger, superfluidhastigheden og den magnetiske flux, arbejde sammen om at opretholde antallet af vendinger som et eksakt heltal, et helt tal som 2, 3 eller 4 frem for en 3.2 eller en 3.7. De forudsagde, at når den magnetiske strømning stiger jævnt, superfluidhastigheden ville stige i et savtandsmønster, efterhånden som superfluidhastigheden justeres for at annullere den ekstra .2 eller tilføje .3 for at få et præcist antal vendinger.

Holdet målte den superflydende strøm, da de varierede den magnetiske strømning og fandt ud af, at savtandsmønsteret faktisk var synligt.

I molybdæn ditellurid og andre såkaldte Weyl-halvmetaller, denne Cooper-parring af elektroner i hovedparten ser ud til at fremkalde en lignende parring på kanterne.

Forskerne bemærkede, at årsagen til, at kantoverstrømmen forbliver uafhængig af bulkoverstrømmen, i øjeblikket ikke er godt forstået. Ong sammenlignede elektronerne, der bevægede sig kollektivt, også kaldet kondensater, til vandpytter.

"Fra klassiske forventninger, man ville forvente, at to flydende vandpytter, der er i direkte kontakt, smelter sammen til en, "Ong sagde." Alligevel viser eksperimentet, at kanten kondensater forbliver adskilt fra det i hovedparten af ​​krystallen. "

Forskergruppen spekulerer i, at den mekanisme, der forhindrer de to kondensater i at blande sig, er den topologiske beskyttelse, der arves fra de beskyttede kanttilstande i molybdæn ditellurid. Gruppen håber at anvende den samme eksperimentelle teknik til at søge efter kantoverstrømme i andre ukonventionelle superledere.

"Der er sandsynligvis masser af dem derude, "Sagde Ong.

Studiet, "Bevis for en kant -superstrøm i Weyl -superlederen MoTe2, "af Wudi Wang, Stephan Kim, Minhao Liu, F. A. Cevallos, Robert. J. Cava og Nai Phuan Ong, blev offentliggjort i tidsskriftet Videnskab den 1. maj, 2020.