Kortlægning af de elektroniske tilstande i en eksotisk superleder

Forskere karakteriserede, hvordan de elektroniske tilstande i en forbindelse indeholdende jern, tellurium, og selen afhænger af lokale kemiske koncentrationer. De opdagede, at superledning (at lede elektricitet uden modstand), sammen med distinkte magnetiske korrelationer, vises, når den lokale koncentration af jern er tilstrækkelig lav; en sameksisterende elektronisk tilstand, der kun eksisterer ved overfladen (topologisk overfladetilstand), opstår, når koncentrationen af ​​tellur er tilstrækkelig høj. Rapporteret i Naturmaterialer , deres resultater peger på det sammensætningsområde, der er nødvendigt for topologisk superledning. Topologisk superledning kunne muliggøre mere robust kvanteberegning, som lover at levere eksponentielle stigninger i processorkraft.

"Kvantecomputere er stadig i sin vorden, og en af ​​de vigtigste udfordringer er at reducere fejlprocenten i beregningerne, " sagde førsteforfatter Yangmu Li, en postdoc i Neutron Scattering Group of the Condensed Matter Physics and Materials Science (CMPMS) Division ved U.S. Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory. "Fejl opstår som qubits, eller kvanteinformationsbits, interagere med deres omgivelser. Imidlertid, i modsætning til fangede ioner eller faststof-qubits såsom punktdefekter i diamant, topologiske superledende qubits er iboende beskyttet mod en del af støjen. Derfor, de kunne understøtte beregninger, der er mindre udsat for fejl. Spørgsmålet er, hvor kan vi finde topologisk superledning?

I dette studie, forskerne indsnævrede søgningen i en forbindelse, der er kendt for at være vært for topologiske overfladetilstande og en del af familien af ​​jernbaserede superledere. I denne forbindelse, topologiske og superledende tilstande er ikke fordelt ensartet over overfladen. At forstå, hvad der ligger bag disse variationer i elektroniske tilstande, og hvordan man kontrollerer dem, er nøglen til at muliggøre praktiske applikationer som topologisk beskyttet kvanteberegning.

Fra tidligere forskning, holdet vidste, at ændring af mængden af ​​jern kunne skifte materialet fra en superledende til ikke-superledende tilstand. Til denne undersøgelse, fysiker Gendu Gu fra CMPMS Division dyrkede to typer store enkeltkrystaller, den ene med lidt mere jern i forhold til den anden. Prøven med det højere jernindhold er ikke-superledende; den anden prøve er superledende.

For at forstå, om arrangementet af elektroner i hovedparten af ​​materialet varierede mellem de superledende og ikke-superledende prøver, holdet vendte sig til spin-polariseret neutronspredning. Spallation Neutron Source (SNS), placeret på DOE's Oak Ridge National Laboratory, er hjemsted for et enestående instrument til at udføre denne teknik.

"Neutronspredning kan fortælle os de magnetiske øjeblikke, eller spins, af elektroner og atomstrukturen af ​​et materiale, " forklarede den tilsvarende forfatter, Igor Zaliznyak, en fysiker i CMPMS Division Neutron Scattering Group, der ledede Brookhaven-teamet, der hjalp med at designe og installere instrumentet med samarbejdspartnere på Oak Ridge. "For at identificere elektronernes magnetiske egenskaber, vi polariserer neutronerne ved hjælp af et spejl, der kun reflekterer én bestemt spin-retning."

Til deres overraskelse, forskerne observerede drastisk forskellige mønstre af elektronmagnetiske momenter i de to prøver. Derfor, den lille ændring i mængden af ​​jern forårsagede en ændring i elektronisk tilstand.

"Efter at have set denne dramatiske forandring, vi regnede med, at vi skulle se på fordelingen af ​​elektroniske tilstande som en funktion af lokal kemisk sammensætning, " sagde Zaliznyak.

Hos Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN), Li, med støtte fra CFN-medarbejdere Fernando Camino og Gwen Wright, bestemte den kemiske sammensætning på tværs af repræsentative mindre stykker af begge prøvetyper gennem energidispersiv røntgenspektroskopi. I denne teknik, en prøve bliver bombarderet med elektroner, og de udsendte røntgenstråler, der er karakteristiske for forskellige elementer, detekteres. De målte også den lokale elektriske modstand - hvilket indikerer, hvor sammenhængende elektroner kan transportere ladning - med elektriske prober i mikroskala. For hver krystal, Li definerede et lille kvadratisk gitter (100 x 100 mikron). I alt, holdet kortlagde den lokale sammensætning og modstand ved mere end 2, 000 forskellige steder.

"Gennem eksperimenterne på CFN, vi karakteriserede elektronernes kemi og overordnede ledningsegenskaber, " sagde Zaliznyak. "Men vi er også nødt til at karakterisere de mikroskopiske elektroniske egenskaber, eller hvordan elektroner forplanter sig i materialet, enten i bulk eller på overfladen. Superledning induceret i elektroner, der forplanter sig på overfladen, kan være vært for topologiske objekter kaldet Majorana-tilstande, som i teorien er en af ​​de bedste måder at udføre kvanteberegninger på. Oplysninger om bulk- og overfladeelektroniske egenskaber kan opnås gennem fotoemissionsspektroskopi."

Til fotoemissionsspektroskopi-eksperimenter, Zaliznyak og Li nåede ud til Peter Johnson, leder af CMPMS Division Electron Spectroscopy Group, og Nader Zaki, en videnskabelig medarbejder i Johnsons gruppe. Ved at måle energien og momentum af elektroner, der udstødes fra prøverne (ved at bruge det samme rumlige gitter) som reaktion på lys, de kvantificerede styrkerne af de elektroniske tilstande, der forplanter sig på overfladen, i hovedparten, og danner den superledende tilstand. De tilpasser fotoemissionsspektrene kvantitativt til en model, der karakteriserer styrkerne ved disse tilstande.

Derefter, holdet kortlagde de elektroniske statsstyrker som funktion af lokal sammensætning, i det væsentlige at bygge et fasediagram.

"Dette fasediagram inkluderer de superledende og topologiske faseovergange og peger på, hvor vi kunne finde en nyttig kemisk sammensætning til kvanteberegningsmaterialer, " sagde Li. "For visse kompositioner, Der eksisterer ingen sammenhængende elektroniske tilstande til at udvikle topologisk superledning. I tidligere undersøgelser, folk troede, at instrumentfejl eller målefejl var grunden til, at de ikke så træk ved topologisk superledning. Her viser vi, at det skyldes selve de elektroniske tilstande."

"Når materialet er tæt på overgangen mellem den topologiske og ikke-topologiske tilstand, du kan forvente udsving, " tilføjede Zaliznyak. "For at topologi skal opstå, de elektroniske tilstande skal være veludviklede og sammenhængende. Så, fra et teknologisk perspektiv, vi er nødt til at syntetisere materialer væk fra overgangslinjen."

Næste, forskerne vil udvide fasediagrammet for at udforske sammensætningsområdet i topologisk retning, med fokus på prøver med mindre selen og mere tellur. De overvejer også at anvende neutronspredning for at forstå et uventet energigab (et energiområde, hvor ingen elektroner er tilladt), der åbner sig i den topologiske overfladetilstand af den samme forbindelse. Johnsons gruppe opdagede for nylig dette hul og antog, at det var forårsaget af overflademagnetisme.