Forskare karakteriserade hur de elektroniska tillstånden i en förening som innehåller järn, tellur, och selen beror på lokala kemiska koncentrationer. De upptäckte att supraledning (att leda elektricitet utan motstånd), tillsammans med distinkta magnetiska korrelationer, uppträder när den lokala koncentrationen av järn är tillräckligt låg; ett samexisterande elektroniskt tillstånd som endast existerar vid ytan (topologiskt yttillstånd) uppstår när koncentrationen av tellur är tillräckligt hög. Anmäld i Naturmaterial , deras fynd pekar på det sammansättningsintervall som är nödvändigt för topologisk supraledning. Topologisk supraledning kan möjliggöra mer robust kvantberäkning, som lovar att leverera exponentiella ökningar av processorkraft.

"Quantum computing är fortfarande i sin linda, och en av de viktigaste utmaningarna är att minska felfrekvensen i beräkningarna, " sa första författaren Yangmu Li, en postdoc i neutronspridningsgruppen för avdelningen för kondenserad materiafysik och materialvetenskap (CMPMS) vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Brookhaven National Laboratory. "Fel uppstår som qubits, eller kvantinformationsbitar, interagera med sin omgivning. Dock, till skillnad från fångade joner eller fasta qubits som punktdefekter i diamant, topologiska supraledande qubits är inneboende skyddade från en del av bruset. Därför, de kan stödja beräkningar som är mindre benägna för fel. Frågan är, var kan vi hitta topologisk supraledning?

I den här studien, forskarna minskade sökningen i en förening som är känd för att vara värd för topologiska yttillstånd och en del av familjen av järnbaserade supraledare. I denna förening, topologiska och supraledande tillstånd är inte jämnt fördelade över ytan. Att förstå vad som ligger bakom dessa variationer i elektroniska tillstånd och hur man kontrollerar dem är nyckeln till att möjliggöra praktiska tillämpningar som topologiskt skyddad kvantberäkning.

Från tidigare forskning, teamet visste att modifiering av mängden järn kunde byta materialet från ett supraledande till icke-supraledande tillstånd. För denna studie, fysikern Gendu Gu från CMPMS-avdelningen odlade två typer av stora enkristaller, den ena med lite mer järn i förhållande till den andra. Provet med den högre järnhalten är icke-supraledande; det andra provet är supraledande.

För att förstå om arrangemanget av elektroner i huvuddelen av materialet varierade mellan supraledande och icke-supraledande prover, teamet övergick till spin-polariserad neutronspridning. Spallation Neutron Source (SNS), ligger vid DOE:s Oak Ridge National Laboratory, är hem för ett unikt instrument för att utföra denna teknik.

"Neutronspridning kan berätta för oss de magnetiska ögonblicken, eller snurrar, av elektroner och atomstrukturen hos ett material, " förklarade motsvarande författare, Igor Zaliznyak, en fysiker i CMPMS Division Neutron Scattering Group som ledde Brookhaven-teamet som hjälpte till att designa och installera instrumentet med medarbetare på Oak Ridge. "För att peka ut de magnetiska egenskaperna hos elektroner, vi polariserar neutronerna med en spegel som bara reflekterar en specifik spinnriktning."

Till deras förvåning, forskarna observerade drastiskt olika mönster av elektronmagnetiska moment i de två proverna. Därför, den lilla förändringen i mängden järn orsakade en förändring i elektroniskt tillstånd.

"Efter att ha sett denna dramatiska förändring, vi tänkte att vi borde titta på fördelningen av elektroniska tillstånd som en funktion av lokal kemisk sammansättning, sa Zaliznyak.

Vid Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN), Li, med stöd från CFN-personalen Fernando Camino och Gwen Wright, bestämde den kemiska sammansättningen över representativa mindre bitar av båda provtyperna genom energidispersiv röntgenspektroskopi. I denna teknik, ett prov bombarderas med elektroner, och de emitterade röntgenstrålarna som är karakteristiska för olika element detekteras. De mätte också det lokala elektriska motståndet - vilket indikerar hur koherent elektroner kan transportera laddning - med elektriska sonder i mikroskala. För varje kristall, Li definierade ett litet kvadratiskt rutnät (100 x 100 mikron). Totalt, teamet kartlade den lokala sammansättningen och motståndet vid mer än 2, 000 olika platser.

"Genom experimenten vid CFN, vi karakteriserade elektronernas kemi och övergripande ledningsegenskaper, ", sa Zaliznyak. "Men vi måste också karakterisera de mikroskopiska elektroniska egenskaperna, eller hur elektroner sprids i materialet, oavsett om det är i bulk eller på ytan. Superledning som induceras i elektroner som förökar sig på ytan kan vara värd för topologiska objekt som kallas Majorana -lägen, som i teorin är ett av de bästa sätten att utföra kvantberäkningar. Information om bulk- och ytelektroniska egenskaper kan erhållas genom fotoemissionsspektroskopi."

För fotoemissionsspektroskopiexperiment, Zaliznyak och Li nådde ut till Peter Johnson, ledare för CMPMS Division Electron Spectroscopy Group, och Nader Zaki, en vetenskaplig medarbetare i Johnsons grupp. Genom att mäta energin och rörelsemängden hos elektroner som kastas ut från proverna (med samma rumsliga rutnät) som svar på ljus, de kvantifierade styrkan hos de elektroniska tillstånden som fortplantar sig på ytan, i huvuddelen, och bildar det supraledande tillståndet. De anpassar kvantitativt fotoemissionsspektra till en modell som kännetecknar styrkorna i dessa tillstånd.

Sedan, teamet kartlade de elektroniska statens styrkor som en funktion av lokal sammansättning, bygger i huvudsak ett fasdiagram.

"Detta fasdiagram inkluderar supraledande och topologiska fasövergångar och pekar på var vi kunde hitta en användbar kemisk sammansättning för kvantberäkningsmaterial, " sa Li. "För vissa kompositioner, inga sammanhängande elektroniska tillstånd finns för att utveckla topologisk supraledning. I tidigare studier, folk trodde att instrumentfel eller mätfel var anledningen till att de inte såg egenskaperna hos topologisk supraledning. Här visar vi att det beror på de elektroniska tillstånden i sig."

"När materialet är nära övergången mellan det topologiska och icke-topologiska tillståndet, du kan förvänta dig fluktuationer, " tillade Zaliznyak. "För att topologi ska uppstå, de elektroniska tillstånden måste vara välutvecklade och sammanhängande. Så, ur ett tekniskt perspektiv, vi måste syntetisera material bort från övergångslinjen."

Nästa, forskarna kommer att utöka fasdiagrammet för att utforska sammansättningsområdet i topologisk riktning, med fokus på prover med mindre selen och mer tellur. De överväger också att tillämpa neutronspridning för att förstå ett oväntat energigap (ett energiområde där inga elektroner är tillåtna) som öppnas i det topologiska yttillståndet för samma förening. Johnsons grupp upptäckte nyligen detta gap och antog att det orsakades av ytmagnetism.