Magnetisme møder topologi på en superlederoverflade

Elektroner i et fast stof indtager forskellige energibånd adskilt af huller. Energibåndgab er et elektronisk "ingenmandsland, "et energiområde, hvor ingen elektroner er tilladt. Nu, videnskabsmænd studerer en forbindelse, der indeholder jern, tellur, og selen har fundet ud af, at et energibåndsgab åbner sig på et punkt, hvor to tilladte energibånd skærer hinanden på materialets overflade. De observerede denne uventede elektroniske adfærd, da de afkølede materialet og undersøgte dets elektroniske struktur med laserlys. Deres fund, rapporteret i Procedurer fra National Academy of Sciences , kan have konsekvenser for fremtidig kvanteinformationsvidenskab og elektronik.

Den særlige forbindelse tilhører familien af ​​jernbaserede højtemperatursuperledere, som oprindeligt blev opdaget i 2008. Disse materialer leder ikke kun elektricitet uden modstand ved relativt højere temperaturer (men stadig meget kolde) end andre klasser af superledere, men viser også magnetiske egenskaber.

"For en stund, folk troede, at superledning og magnetisme ville arbejde imod hinanden, "sagde første forfatter Nader Zaki, en videnskabelig medarbejder i Electron Spectroscopy Group of the Condensed Matter Physics and Materials Science (CMPMS) Division ved US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory. "Vi har udforsket et materiale, hvor begge udvikler sig på samme tid."

Bortset fra superledning og magnetisme, nogle jernbaserede superledere har de rigtige betingelser for at være vært for "topologiske" overfladetilstande. Eksistensen af ​​disse unikke elektroniske tilstande, lokaliseret ved overfladen (de findes ikke i hovedparten af ​​materialet), afspejler stærke vekselvirkninger mellem en elektrons spin og dens orbitale bevægelse omkring kernen af ​​et atom.

"Når du har en superleder med topologiske overfladeegenskaber, du er begejstret for muligheden for topologisk superledning, " sagde den tilsvarende forfatter Peter Johnson, leder af Elektronspektroskopigruppen. "Topologisk superledning er potentielt i stand til at understøtte Majorana fermioner, som kunne tjene som qubits, de informationslagrende byggeklodser i kvantecomputere."

Kvantecomputere lover enorme hastigheder for beregninger, der ville tage upraktisk tid eller være umulige på traditionelle computere. En af udfordringerne ved at realisere praktisk kvanteberegning er, at qubits er meget følsomme over for deres miljø. Små interaktioner får dem til at miste deres kvantetilstand og dermed går lagret information tabt. Teori forudsiger, at Majorana-fermioner (efterspurgte kvasipartikler), der eksisterer i superledende topologiske overfladetilstande, er immune over for miljøforstyrrelser, hvilket gør dem til en ideel platform for robuste qubits.

Ser de jernbaserede superledere som en platform for en række eksotiske og potentielt vigtige fænomener, Zaki, Johnson, og deres kolleger satte sig for at forstå topologiens roller, superledning og magnetisme.

Seniorfysiker Genda Gu i CMPMS Division dyrkede først højkvalitets enkeltkrystaller af den jernbaserede forbindelse. Derefter, Zaki kortlagde materialets elektroniske båndstruktur via laserbaseret fotoemissionsspektroskopi. Når lyset fra en laser fokuseres på en lille plet på materialet, elektroner fra overfladen "sparkes ud" (dvs. fotoemitteret). Energien og momentum af disse elektroner kan derefter måles.

Da de sænkede temperaturen, skete der noget overraskende.

"Materialet gik superledende, som vi forventede, og vi så et superledende hul forbundet med det, "sagde Zaki." Men hvad vi ikke havde forventet var den topologiske overfladetilstand, der åbnede et andet hul på Dirac -punktet. Du kan forestille dig energibåndstrukturen i denne overfladetilstand som et timeglas eller to kegler fastgjort i deres spids. Hvor disse kegler skærer sig kaldes Dirac-punktet."

Som Johnson og Zaki forklarede, når der åbner sig et hul ved Dirac -punktet, det er bevis på, at tidsvendingssymmetri er blevet brudt. Tidsreverseringssymmetri betyder, at fysikkens love er de samme, uanset om du ser på et system, der går fremad eller bagud i tid - svarende til at spole en video tilbage og se den samme sekvens af begivenheder, der spilles baglæns. Men under tidsvending, elektronspins ændrer deres retning og bryder denne symmetri. Dermed, en af ​​måderne til at bryde tids-vendingssymmetri er ved at udvikle magnetisme – specifikt, ferromagnetisme, en type magnetisme, hvor alle elektronspin justeres på en parallel måde.

"Systemet går i superledende tilstand, og tilsyneladende udvikler magnetisme sig, " sagde Johnson. "Vi må antage, at magnetismen er i overfladeregionen, fordi den i denne form ikke kan eksistere side om side i hovedparten. Denne opdagelse er spændende, fordi materialet har en masse forskellig fysik i sig:superledning, topologi, og nu magnetisme. Jeg kan godt lide at sige, at det er one-stop shopping. At forstå, hvordan disse fænomener opstår i materialet, kunne danne grundlag for mange nye og spændende teknologiske retninger."

Som tidligere nævnt, materialets superledningsevne og stærke spin-baneeffekter kan udnyttes til kvanteinformationsteknologier. Alternativt materialets magnetisme og stærke spin-kredsløbsinteraktioner kunne muliggøre dissipationsfri (ingen energitab) transport af elektrisk strøm i elektronik. Denne evne kunne udnyttes til at udvikle elektroniske enheder, der forbruger lave mængder strøm.

Medforfattere Alexei Tsvelik, seniorforsker og gruppeleder for CMPMS Division Condensed Matter Theory Group, og Congjun Wu, professor i fysik ved University of California, San Diego, givet teoretisk indsigt i, hvordan tidsvendingssymmetri brydes og magnetisme opstår i overfladeregionen.

"Denne opdagelse afslører ikke kun dybe forbindelser mellem topologiske superledende tilstande og spontan magnetisering, men giver også vigtig indsigt i arten af ​​superledende mellemrumsfunktioner i jernbaserede superledere-et fremragende problem i undersøgelsen af ​​stærkt korrelerede ukonventionelle superledere, " sagde Wu.

I en separat undersøgelse med andre samarbejdspartnere i CMPMS Division, forsøgsholdet undersøger, hvordan forskellige koncentrationer af de tre elementer i prøven bidrager til de observerede fænomener. Tilsyneladende, tellur er nødvendigt for de topologiske virkninger, for meget jern dræber superledning, og selen forbedrer superledningsevnen.

I opfølgende forsøg, holdet håber på at verificere tidsvendingssymmetrien, der bryder med andre metoder og undersøge, hvordan substituerende elementer i forbindelsen ændrer dens elektroniske adfærd.

"Som materialeforskere, vi kan lide at ændre ingredienserne i blandingen for at se, hvad der sker, "sagde Johnson." Målet er at finde ud af, hvordan superledning, topologi, og magnetisme interagerer i disse komplekse materialer."