En banbrytande provförberedande teknik har gjort det möjligt för forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign och University of Tokyo att utföra den hittills mest kontrollerade och känsliga studien av en topologisk isolator (TI) nära kopplad till en superledare (SC). Forskarna observerade den supraledande närhetseffekten - inducerad supraledning i TI på grund av dess närhet till SC - och mätte dess förhållande till temperatur och tjockleken på TI.

TI med inducerad supraledning är av största vikt för fysiker eftersom de har potential att vara värd för exotiska fysiska fenomen, inklusive den svårfångade Majorana fermion - en elementär partikel som teoretiseras för att vara sin egen antipartikel - och för att uppvisa supersymmetri - ett fenomen som sträcker sig bortom standardmodellen som skulle belysa många enastående problem inom fysiken. Superledande TI har också ett enormt löfte för tekniska applikationer, inklusive topologisk kvantberäkning och spintronik.

Naturligt förekommande topologiska superledare är sällsynta, och de som har undersökts har uppvisat extremt små supraledande luckor och mycket låga övergångstemperaturer, begränsa deras användbarhet för att avslöja intressanta fysiska egenskaper och beteenden som har teoretiserats.

TI har använts vid konstruktion av superledande topologiska superledare (TI/SC), genom att odla TI på ett supraledande substrat. Sedan deras experimentella upptäckt 2007, TI har fascinerat kondenserade fysiker, och en mängd teoretisk och experimentell forskning som pågår runt om i världen har undersökt de kvantmekaniska egenskaperna hos denna extraordinära materialklass. Dessa 2D- och 3D -material isolerar i sin bulk, men leda elektricitet på sina kanter eller yttre ytor via speciella ytelektroniska tillstånd som är topologiskt skyddade, vilket betyder att de inte lätt kan förstöras av föroreningar eller brister i materialet.

Men att konstruera sådana TI/SC -system via växande TI -tunna filmer på supraledande underlag har också visat sig vara utmanande, med flera hinder, inklusive gitterstruktur felanpassning, kemiska reaktioner och strukturella defekter vid gränssnittet, och andra ännu inte förstått faktorer.

Nu, en ny provodlingsteknik som utvecklats vid U. av I. har övervunnit dessa hinder. Utvecklad av fysikprofessorn James Eckstein i samarbete med fysikprofessorn Tai-Chang Chiang, den nya "flip-chip" TI/SC-provodlingstekniken gjorde det möjligt för forskarna att producera skiktade tunna filmer av den välstuderade TI-vismutseleniden ovanpå det prototypiska SC-niobiet-trots deras oförenliga kristallina gitterstrukturer och den mycket reaktiva naturen av niob.

Dessa två material tillsammans är idealiska för att undersöka grundläggande aspekter av TI/SC -fysiken, enligt Chiang:"Detta är förmodligen det enklaste exemplet på en TI/SC när det gäller de elektroniska och kemiska strukturerna. Och den SC vi använde har den högsta övergångstemperaturen bland alla element i det periodiska systemet, vilket gör fysiken mer tillgänglig. Detta är verkligen idealiskt; det ger en enklare, mer tillgänglig grund för att utforska grunderna för topologisk supraledning, "Chiang kommenterar.

Metoden möjliggör mycket exakt kontroll över provtjockleken, och forskarna tittade på ett intervall av 3 till 10 TI -lager, med 5 atomskikt per TI -lager. Teamets mätningar visade att närhetseffekten inducerar supraledning i både bulktillstånden och de topologiska yttillstånden för TI -filmerna. Chiang betonar, vad de såg ger nya insikter om supraledande parning av de spin-polariserade topologiska yttillstånden.

"Resultaten av denna forskning är entydiga. Vi ser signalen tydligt, "Chiang summerar." Vi undersökte det superledande gapet som en funktion av TI -filmtjockleken och också som en funktion av temperaturen. Resultaten är ganska enkla:gapet försvinner när du går över niobiums övergångstemperatur. Det är bra - det är enkelt. Det visar fysikens verk. Mer intressant är beroendet av filmens tjocklek. Inte överraskande, vi ser att det superledande gapet minskar för att öka TI -filmtjockleken, men minskningen är förvånansvärt långsam. Denna observation väcker en spännande fråga om hur parningen vid filmytan induceras genom koppling vid gränssnittet. "

Chiang krediterar Eckstein för att utveckla den geniala provberedningsmetoden. Det handlar om att montera provet i omvänd ordning, ovanpå ett offersubstrat av aluminiumoxid, allmänt känd som mineral safir. Forskarna kan kontrollera det specifika antalet lager av TI -kristaller som odlas, var och en med femdubbel atomtjocklek. Sedan deponeras ett polykristallint supraledande lager av niob på toppen av TI-filmen. Provet vänds sedan över och offerskiktet som fungerat som substrat lossas genom att slå en "klyvningspinne". Skikten klyvs exakt vid gränssnittet mellan TI och aluminiumoxid.

Eckstein förklarar, "" Flip-chip "-tekniken fungerar eftersom skikten inte är starkt bundna-de är som en pappersbunt, där det finns styrka i stapeln, men du kan enkelt dra isär lagren. Här, vi har ett triangulärt gitter av atomer, som kommer i förpackningar om fem - dessa lager är starkt bundna. De nästa fem lagren sitter ovanpå, men är svagt bundna till de fem första. Det visar sig, den svagaste länken ligger precis vid substrat-TI-gränssnittet. Vid klyvning, denna metod ger en ren yta, utan förorening från luftexponering. "

Klyvningen utfördes i ett ultrahögt vakuum, inom ett mycket känsligt instrument vid Institute for Solid State Physics vid University of Tokyo som kan vinkelupplösat fotoemissionsspektroskopi (ARPES) vid olika temperaturer.

Chiang erkänner, "De supraledande funktionerna uppträder vid mycket små energivågor - det kräver en mycket hög energiopplösning och mycket låga temperaturer. Denna del av experimentet genomfördes av våra kollegor vid University of Tokyo, där de har instrumenten med känslighet för att få den upplösning vi behöver för denna typ av studier. Vi hade inte kunnat göra detta utan detta internationella samarbete. "

"Denna nya provberedningsmetod öppnar många nya vägar inom forskning, när det gäller exotisk fysik, och, i längden, när det gäller möjliga användbara applikationer - eventuellt även att bygga en bättre superledare. Det kommer att tillåta beredning av prover med hjälp av ett brett spektrum av andra TI och SC. Det kan också vara användbart vid miniatyrisering av elektroniska enheter, och i spintronic computing, vilket skulle kräva mindre energi när det gäller värmeavledning, "Avslutar Chiang.

Eckstein tillägger, "Det finns mycket spänning över det här. Om vi ​​kan göra ett supraledande TI, teoretiska förutsägelser berättar för oss att vi kunde hitta en ny elementär excitation som skulle göra en idealisk topologisk kvantbit, eller qubit. Vi är inte där än, och det finns fortfarande många saker att oroa sig för. Men det skulle vara en qubit vars kvantmekaniska vågfunktion skulle vara mindre mottaglig för lokala störningar som kan orsaka nedstämning, störa beräkningar. "

Dessa fynd publicerades online den 27 april 2018 i tidskriften Vetenskapliga framsteg .