Undersøgelse observerer sameksistensen af ​​topologiske kanttilstande og superledning i stanenefilm

Stanene er en topologisk isolator bestående af atomer, der typisk er arrangeret i et lignende mønster som dem inde i grafen. Stanene-film har vist sig at være lovende for realiseringen af ​​adskillige spændende fysikfaser, herunder kvantespin Hall-fasen og iboende superledning.

Nogle teoretiske undersøgelser antydede også, at disse film kunne være vært for topologisk superledning, en tilstand, der er særlig værdifuld for udviklingen af ​​kvantecomputerteknologi. Hidtil er topologiske kanttilstande i stanen imidlertid ikke blevet observeret pålideligt og konsekvent i eksperimentelle omgivelser.

Forskere ved Shanghai Jiao Tong University, University of Science and Technology i Kina, Henan University, Zhengzhou University og andre institutter i Kina har for nylig demonstreret sameksistensen af ​​topologiske kanttilstande og superledning i et- til femlags stanenfilm placeret på Bi (111) substrat. Deres observationer, beskrevet i et papir offentliggjort i Physical Review Letters , kunne have vigtige konsekvenser for udviklingen af ​​Stanene-baserede kvanteenheder.

"Det nuværende arbejde er et seneste skridt fremad i vores systematiske forskning efter vores tidligere arbejde offentliggjort i 2015, som repræsenterede den første rapport om den vellykkede vækst af et monoatomisk stanenlag (ML)," Jinfeng Jia, en af ​​de forskere, der udførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Udfordringen har på det tidspunkt været Bi₂ Te₃ substrat påfører stanenlaget en kompressionsbelastning, hvilket fører til en ugunstig overlapning mellem dets lednings- og valensbånd."

Med udgangspunkt i tidligere resultater har Jias team og andre forskningsgrupper verden over forsøgt at realisere topologisk superledning i stanen placeret på forskellige substrater med større gitterbegrænsninger end Bi₂ Te₃ , da disse kunne bevare den ikke-trivielle topologi af stanen. Alligevel var det indtil videre meget få, der var lykkedes.

For at bygge effektive kvanteberegningsteknologier baseret på stanenfilm, bliver fysikere først nødt til at identificere et substrat, der kan bruges til at dyrke stabil stanen med ikke-trivielle topologiske egenskaber og iboende superledningsevne. Dette er, hvad Jia og hans kolleger satte sig for at gøre i deres nylige papir.

"Det ultimative mål med vores seneste papir er at opnå den topologiske superleder i stanen, et enkelt-element materialesystem," sagde Jia. "Et sådant ønskeligt substrat blev identificeret af vores nyere teoretiske undersøgelse, der peger på Bi(111)-substratet."

I deres eksperimenter indsamlede Jia og hans kolleger målinger ved hjælp af scanning tunneling mikroskopi og spektroskopi ved en ultralav temperatur på 400mK. Disse metoder gjorde det muligt for dem at detektere lokaliserede topologiske kanttilstande på deres stanenprøver i nanometerskalaen og bekræfte den superledende parring i materialet.

"Vores første-principper-beregninger bekræftede yderligere den ikke-trivielle topologi af disse film og den vitale betydning af signifikant spin-orbital kobling leveret af Bi(111)-substratet," forklarede Jia. "Vi viste også, at brint er uundværligt for at ændre væksttilstanden, så den vokser jævnt og lag for lag."

Det seneste arbejde fra dette hold af forskere demonstrerer endegyldigt sameksistensen af ​​topologiske kanttilstande og superledningsevne i stanenfilm. I modsætning til andre tidligere erkendelser af disse tilstande, er disse to egenskaber i deres stikprøve omfattet af et enkeltelementsystem snarere end i en kompliceret heterostruktur.

De korte bilaterale gennemtrængningslængder af kanttilstandene observeret af Jia og hans kolleger er særligt gunstige for udviklingen af ​​ledende anordninger med lavt tab med tætte kantkanaler. Derudover kunne stanenfilmplatformen identificeret af forskerne muliggøre udviklingen af ​​topologiske kvanteberegningsenheder baseret på færre stanenlag.

"For stanene/Bi (111) systemet er det næste trin at identificere parringssymmetrien af ​​dets superledning og at realisere Majorana nul-tilstande ved at skabe grænser for den lukkede sløjfe-kantkanal," tilføjede Jia. "Målet for vores gruppe på lang sigt er at realisere fletteoperationen af ​​Majorana-tilstandene og endda skubbe fremad i topologisk kvanteberegning." + Udforsk yderligere

Forskere producerer 2D-plader af tinatomer

© 2022 Science X Network