En upptäckt som fysiker länge har undgått har upptäckts i ett laboratorium i Princeton. Ett team av fysiker upptäckte supraledande strömmar - flödet av elektroner utan att slösa energi - längs den yttre kanten av ett supraledande material. Fyndet publicerades i 1 maj-numret av tidskriften Vetenskap .

Supraledaren som forskarna studerade är också en topologisk halvmetall, ett material som kommer med sina egna ovanliga elektroniska egenskaper. Fyndet föreslår sätt att låsa upp en ny era av "topologisk supraledning" som kan ha värde för kvantberäkning.

"Så vitt vi vet, detta är den första observationen av en kantsuperström i någon supraledare, sa Nai Phuan Ong, Princetons Eugene Higgins professor i fysik och seniorförfattaren i studien.

"Vår motiverande fråga var, Vad händer när det inre av materialet inte är en isolator utan en supraledare?" sa Ong. "Vilka nya egenskaper uppstår när supraledning uppstår i ett topologiskt material?"

Även om konventionella supraledare redan har stor användning inom magnetisk resonanstomografi (MRI) och långdistansöverföringsledningar, nya typer av supraledning kan släppa lös förmågan att ta sig bortom begränsningarna för vår välbekanta teknologi.

Forskare vid Princeton och på andra håll har undersökt sambandet mellan supraledning och topologiska isolatorer-material vars icke-konformistiska elektroniska beteenden var föremål för Nobelpriset i fysik 2016 för F. Duncan Haldane, Princetons Sherman Fairchild University professor i fysik.

Topologiska isolatorer är kristaller som har en isolerande insida och en ledande yta, som en brownie insvept i plåt. Vid ledning av material, elektroner kan hoppa från atom till atom, låta elektrisk ström flöda. Isolatorer är material där elektronerna fastnar och inte kan röra sig. Ändå nyfiket, topologiska isolatorer tillåter rörelse av elektroner på deras yta men inte i deras inre.

För att utforska supraledning i topologiska material, forskarna vände sig till ett kristallint material som kallas molybdenditellurid, som har topologiska egenskaper och också är en supraledare när temperaturen sjunker under kyliga 100 millikelvin, som är -459 grader Fahrenheit.

"De flesta av de experiment som gjorts hittills har involverat försök att 'injicera' supraledning i topologiska material genom att placera det ena materialet i närheten av det andra, sa Stephan Kim, en doktorand i elektroteknik, som utförde många av experimenten. "Det som är annorlunda med vår mätning är att vi inte injicerade supraledning och ändå kunde vi visa signaturerna för kanttillstånd."

Teamet odlade först kristaller i laboratoriet och kylde sedan ner dem till en temperatur där supraledning uppstår. De applicerade sedan ett svagt magnetfält medan de mätte strömflödet genom kristallen. De observerade att en storhet som kallas den kritiska strömmen visar svängningar, som visas som ett sågtandsmönster, när magnetfältet ökar.

Både höjden på svängningarna och frekvensen av svängningarna passar med förutsägelser om hur dessa fluktuationer uppstår från kvantbeteendet hos elektroner som är begränsade till materialens kanter.

Forskare har länge vetat att supraledning uppstår när elektroner, som normalt rör sig slumpmässigt, binda till två för att bilda Cooper-par, som på sätt och vis dansar till samma takt. "En grov analogi är en miljard par som utför samma stramt manusformade danskoreografi, " sa Ong.

Skriptet elektronerna följer kallas supraledarens vågfunktion, som ungefär kan betraktas som ett band sträckt längs supraledningstrådens längd, sa Ong. En liten vridning av vågfunktionen tvingar alla Cooper-par i en lång tråd att röra sig med samma hastighet som en "supervätska" - med andra ord fungerar som en enda samling snarare än som enskilda partiklar - som flyter utan att producera uppvärmning.

Om det inte finns några vridningar längs bandet, Ong sa, alla Cooper-par är stationära och ingen ström flyter. Om forskarna utsätter supraledaren för ett svagt magnetfält, detta ger ytterligare ett bidrag till den vridning som forskarna kallar det magnetiska flödet, som, för mycket små partiklar som elektroner, följer kvantmekanikens regler.

Forskarna förutsåg att dessa två bidragit till antalet vändningar, superfluidhastigheten och det magnetiska flödet, arbeta tillsammans för att behålla antalet vändningar som ett exakt heltal, ett heltal som 2, 3 eller 4 istället för en 3,2 eller en 3,7. De förutspådde att när magnetflödet ökar smidigt, superfluidhastigheten skulle öka i ett sågtandsmönster när superfluidhastigheten justeras för att ta bort de extra 0,2 eller lägga till 0,3 för att få ett exakt antal vridningar.

Teamet mätte superfluidströmmen när de varierade det magnetiska flödet och fann att sågtandsmönstret verkligen var synligt.

I molybdenditellurid och andra så kallade Weyl-halvmetaller, denna Cooper-parning av elektroner i bulken verkar inducera en liknande parning på kanterna.

Forskarna noterade att anledningen till att kantsuperströmmen förblir oberoende av bulksuperströmmen för närvarande inte är väl förstådd. Ong jämförde elektronerna som rörde sig kollektivt, även kallat kondensat, till vätskepölar.

"Från klassiska förväntningar, man skulle förvänta sig att två vätskepölar som är i direktkontakt smälter samman till en, " Sa Ong. "Ändå visar experimentet att kantkondensatet förblir distinkt från det i huvuddelen av kristallen."

Forskargruppen spekulerar i att mekanismen som hindrar de två kondensaten från att blandas är det topologiska skyddet som ärvts från de skyddade kanttillstånden i molybdenditellurid. Gruppen hoppas kunna tillämpa samma experimentella teknik för att söka efter kantströmmar i andra okonventionella superledare.

"Det finns förmodligen massor av dem där ute, " sa Ong.

Studien, "Bevis för en kantsuperström i Weyl-supraledaren MoTe2, "av Wudi Wang, Stephan Kim, Minhao Liu, F. A. Cevallos, Robert. J. Cava och Nai Phuan Ong, publicerades i tidningen Vetenskap den 1 maj, 2020.