WTe2 Josephson -korsningen:Gröna plattor är lager av WTe2, orange stavar är niobelektroder, och röda och blå linjer betecknar spinn upp och snurr ned elektroder som färdas på två gångjärn i proverna. Upphovsman:Gil-Ho Lee (POSTECH)
Under det senaste decenniet har fältet för kondenserad materia har upplevt en guldålder med upptäckten av nya material och egenskaper, och tillhörande teknik som utvecklas i rasande fart tack vare ankomsten av topologisk fysik. Topologisk fysik tog fart 2008 med upptäckten av topologisk isolator, en typ av material som är elektriskt isolerande i bulk men metalliskt på ytan.
Sedan dess, forskare har hittat fler exotiska topologiska faser inklusive Dirac -halvmetaller, Weyl -halvmetaller och axioniska isolatorer. Men senast, material som isolerar i bulk på ytor och kanter men endast är metalliska på gångjärnen eller i hörnen har teoretiskt förutsetts. Dessa bisarra nya material som kallas topologiska isolatorer av högre ordning är extremt sällsynta och endast elementet vismut har experimentellt visat sig tillhöra denna kategori hittills.
Vad är en gångjärnstillstånd ändå? Föreställ dig en låda - längre och bredare än hög - med klaffar på topp och botten som du kan öppna för att lägga saker inuti. Utrymmet inuti lådan skulle kallas bulk. De flesta material som leder elektricitet gör det i huvudsak. Dock, i topologiska isolatorer, huvuddelen av lådan är elektriskt isolerande men toppen och botten - flikarna - är metalliska och bibehåller yttillstånd. För vissa material, huvuddelen, lådans ovansida och botten är isolerande men sidorna (kanterna) är metalliska. Dessa har kanttillstånd som har visats i magnetiska topologiska isolatorer. Till sist, i topologiska isolatorer av högre ordning, huvuddelen, topp, botten och sidorna av lådan är alla isolerande men gångjärnen och hörnen på lådan är metalliska och har olika gångjärn eller hörnstatus. Dessa gångjärnsstater har också förutsetts existera i topologiska halvmetaller som vismut. Gångstaterna i synnerhet förväntas vara lovande för studiet av spintronik eftersom deras förökningsriktning är knuten till deras snurrning och för Majorana fermioner som aktivt undersöks för deras tillämpningar på feltoleranta kvantberäkningar.
Nu ett internationellt team av forskare från USA, Hongkong, Tyskland, och Sydkorea har identifierat en ny topologisk isolator av högre ordning. Det är en skiktad tvådimensionell övergångsmetalldikalkogenid (TMDC) kallad WTe2. Detta är ett känt material inom fysik av kondenserad materia som visar en mängd exotiska egenskaper från titanisk magnetoresistans till kvantiserad spinnhallseffekt. Det var det första exemplet på en Weyl-halvmetal av typ II som kan göras till enheter som bara är ett lager tjocka och som är exfolierbara som grafen. WTe 2 har också visat sig supraledning under tryck vilket betyder att elektroner bildar par och en överström strömmar genom den utan motstånd.
Lägg till denna karneval av fastigheter, teoretiska fysiker 2019 tänkt sig WTe 2 och dess systermaterial MoTe 2 att vara topologiska isolatorer av högre ordning med metalliska gångjärnstillstånd. Många forskargrupper runt om i världen har sedan dess sökt bevis på dessa exotiska tillstånd i WTe 2 och MoTe 2 och några nya resultat har visat att det finns extra ledande tillstånd vid deras kanter. Men forskarna kunde inte identifiera om detta verkligen var kantstater eller de mycket eftertraktade gångjärnstaterna.
I en studie publicerad i Naturmaterial den 6 juli, 2020, laget som leds av Kin Chung Fong (Raytheon BBN Technologies), Mazhar N. Ali (Max Plank Institute of Microstructure Physics och även Material Mind Inc.), Kam Tuen Law (Hong Kong University of Science and Technology) och Gil-Ho Lee (Pohang University of Science and Technology, och Asia Pacific Center for Theoretical Physics) tog ett nytt tillvägagångssätt genom att använda Josephson -korsningarna för att rumsligt lösa superströmflödet och för att visa att WTe 2 verkar verkligen ha gångjärnstillstånd och vara en topologisk isolator av högre ordning (länk till papper).
Josephson -korsningar är en otroligt viktig enhet och verktyg inom fysiken. De används i en mängd olika tekniska applikationer, inklusive magnetiska resonansavbildningsmaskiner (MRI) såväl som i qubits, som är byggstenar för kvantdatorer. Dessa korsningar bildas när två supraledande elektroder som niob (Nb) är anslutna med en icke-supraledande bro som en högkvalitativ WTe 2 i en tunnfilmsanordning. När temperaturen sänks tillräckligt, superströmmen som injiceras från en Nb -elektrod kan färdas över bron utan motstånd mot den andra Nb -elektroden. Därför uppvisar den övergripande anordningen nollmotstånd och sägs vara superledande.
Dock, ingen oändlig mängd superström kan skickas över bron med bibehållen supraledning. När den insprutade strömmen överstiger en kritisk ström, korsningen förvandlas till ett normalt tillstånd och uppvisar ändlig resistens. Josephson -effekten säger att som en funktion av det applicerade magnetfältet, the critical current will oscillate in a Fraunhofer pattern between high and low values due to the changing phase of the superconducting wave-function across the sample.
The team realized that hidden in this oscillation is location information of the supercurrent while it travels in the sample. By taking an inverse Fourier transform of the Fraunhofer pattern, the researchers were able to visualize the supercurrent flow in the sample and found that it indeed travels on the sides of the WTe 2 enhet. Dock, this was not enough to distinguish the edge states from the hinge states.
As shown in the figure below, due to a quirk in the symmetry-based origin of the hinge states, not all hinges are identical on the WTe 2 sample. Till exempel, there are metallic hinge states on top left and bottom right hinges on the sample but not on the top right or bottom left. This is different from an edge state, which would simply be existing on the entirety of the left and right sides of the sample. Regarding this, Kin Chung Fong of Raytheon BBN Technologies explains, "We used this difference to our advantage. By connecting superconducting electrodes on just the top half of the sample and not the bottom half, we realized we would see a different Fraunhofer pattern if hinge states existed and not edge states." He further commented, "In this configuration, electrodes would connect to only one of the hinge states (i.e. top left and not bottom right), which would show a distinct Fraunhofer pattern. If there were edge states, this configuration wouldn't be any different than connecting to both the bottom and top halves of the sample and the Fraunhofer would look the same." When they carried out this challenging experiment, they observed the hallmark of the hinge state, not the edge state.
"But that's not all. WTe 2 is a fairly low-symmetry orthorhombic material with high crystalline anisotropy. The different directions in the crystal are not equivalent and we also theorized and confirmed that the hinge states existing in WTe 2 aren't all equivalent either. In some directions, they mix into the bulk while in other directions they don't, " explained Kam Tuen Law at Hong Kong University of Science and Technology.
"There is a variety of exciting physics to be explored in these compounds in the near future now that hinge states have been found in WTe 2 , " remarked Gil Ho Lee of Pohang University of Science and Technology. He added, "The possibility for dissipationless interconnections, true 1D superconducting nano-wires and spintronics devices, topological superconductivity, Majorana fermions and correspondingly topological quantum computers are all on the horizon."
Mazhar N. Ali at the Max Plank Institute of Microstructure Physics explained, "WTe 2 may be the second material shown to host hinge states, but it is very different from the other candidate, bismuth. Being 2-D, WTe 2 is easily fabricable into nano-devices with controlled surfaces, and can be layered on top of other 2-D materials in heterostructures and even on top of itself when slightly twisted to form a Moire superlattice." He added, "Its sister material MoTe 2 is expected to exhibit the same hinge states but it is an intrinsic superconductor at low temperatures." He concludes, "How can these hinge states be modified, controlled, and used? There are a lot of exciting research opportunities ahead."
