Stanene är en topologisk isolator som består av atomer som vanligtvis är arrangerade i ett liknande mönster som de inuti grafen. Stanene-filmer har visat sig vara lovande för realiseringen av många spännande fysikfaser, inklusive kvantspin-hallfasen och inneboende supraledning.

Vissa teoretiska studier antydde också att dessa filmer kunde vara värd för topologisk supraledning, ett tillstånd som är särskilt värdefullt för utvecklingen av kvantberäkningsteknik. Hittills har dock topologiska kanttillstånd i stanen inte observerats på ett tillförlitligt och konsekvent sätt i experimentella miljöer.

Forskare vid Shanghai Jiao Tong University, University of Science and Technology i Kina, Henan University, Zhengzhou University och andra institut i Kina har nyligen visat samexistensen av topologiska kanttillstånd och supraledning i en till fem-lagers stanenfilmer placerade på Bi (111) substrat. Deras observationer, som beskrivs i en artikel publicerad i Physical Review Letters , kan få viktiga konsekvenser för utvecklingen av Stanene-baserade kvantenheter.

"Det aktuella arbetet är ett senaste steg framåt i vår systematiska forskning efter vårt tidigare arbete som publicerades 2015, som representerade den första rapporten om framgångsrik tillväxt av ett monoatomiskt skikt av stanen (ML)," Jinfeng Jia, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Utmaningen har vid den tiden varit Bi₂ Te₃ substratet utsätter stanenskiktet för en kompressionspåkänning, vilket leder till en ogynnsam överlappning mellan dess lednings- och valensband."

Med utgångspunkt i tidigare rön har Jias team och andra forskargrupper världen över försökt realisera topologisk supraledning i stanen placerad på olika substrat med större gitterbegränsningar än Bi₂ Te₃ , eftersom dessa skulle kunna behålla den icke-triviala topologin för stanen. Ändå hade väldigt få lyckats.

För att bygga effektiva kvantberäkningstekniker baserade på stanenfilmer måste fysiker först identifiera ett substrat som kan användas för att odla stabil stanen med icke-triviala topologiska egenskaper och inneboende supraledning. Detta är vad Jia och hans kollegor tänkte göra i sin senaste tidning.

"Det slutliga målet med vår senaste uppsats är att uppnå den topologiska supraledaren i stanen, ett materialsystem med ett element," sa Jia. "Ett sådant önskvärt substrat identifierades av vår nyare teoretiska studie, som pekar på Bi(111)-substratet."

I sina experiment samlade Jia och hans kollegor in mätningar med hjälp av scanning tunnelmikroskopi och spektroskopi vid en ultralåg temperatur på 400mK. Dessa metoder gjorde det möjligt för dem att detektera lokaliserade topologiska kanttillstånd på sina stanenprover i nanometerskalan och att bekräfta supraledande parning i materialet.

"Våra första principberäkningar bekräftade ytterligare den icke-triviala topologin för dessa filmer, och den avgörande betydelsen av betydande spin-orbital koppling som tillhandahålls av Bi(111)-substratet," förklarade Jia. "Vi visade också att väte är oumbärligt för att ändra tillväxtläget för att växa jämnt och lager för lager."

Det senaste arbetet av detta team av forskare visar definitivt samexistensen av topologiska kanttillstånd och supraledning i stanenfilmer. I motsats till andra tidigare realiseringar av dessa tillstånd, är dessa två egenskaper i sitt urval inkluderade i ett enelementssystem snarare än i en komplicerad heterostruktur.

De korta bilaterala penetrationslängderna för kanttillstånden som observerats av Jia och hans kollegor är särskilt gynnsamma för utvecklingen av ledande anordningar med låg förlust med täta kantkanaler. Dessutom kan stanenfilmplattformen som identifierats av forskarna möjliggöra utvecklingen av topologiska kvantberäkningsenheter baserade på färre stanenlager.

"För stanene/Bi (111)-systemet är nästa steg att identifiera parningssymmetrin för dess supraledning och att realisera Majorana-nolllägen genom att skapa gränser för den slutna slingkantkanalen," tillade Jia. "Målet för vår grupp, på lång sikt, är att realisera flätningsoperationen av Majorana-lägena och till och med driva vidare till topologisk kvantberäkning." + Utforska vidare

Forskare producerar 2D-ark av tennatomer

© 2022 Science X Network