Um transistor baseado no ditelureto de tungstênio material 2-D (WTe2) imprensado entre nitreto de boro pode alternar entre dois estados eletrônicos diferentes - um que conduz corrente apenas ao longo de suas bordas, tornando-se um isolante topológico, e outro que conduz corrente sem resistência, tornando-o um supercondutor - pesquisadores do MIT e colegas de outros quatro instituições têm demonstrado.
Usando medições de quatro sondas, uma técnica de transporte eletrônico quântico comum para medir o comportamento eletrônico de materiais, os pesquisadores representaram a capacidade de carga de corrente e as características de resistência do transistor de ditelureto de tungstênio bidimensional e confirmaram suas descobertas em uma gama de tensões aplicadas e campos magnéticos a temperaturas extremamente baixas.
“Esta é a primeira vez que exatamente o mesmo material pode ser sintonizado em um isolante topológico ou em um supercondutor”, diz Pablo Jarillo-Herrero, o Cecil e Ida Green Professor de Física no MIT. “Podemos fazer isso por efeito de campo elétrico regular usando dielétricos padrão regulares, então basicamente o mesmo tipo de tecnologia que você usa em eletrônicos de semicondutores padrão.”
Nova classe de materiais
“Este é o primeiro de uma nova classe de materiais - isoladores topológicos que podem ser sintonizados eletricamente em supercondutores - que abre muitas possibilidades que antes havia obstáculos significativos para serem concretizadas”, diz Jarillo-Herrero. “Ter um material onde você pode fazer isso perfeitamente dentro do mesmo material para fazer a transição entre este isolante topológico e o supercondutor é algo potencialmente muito atraente.”
O ditelureto de tungstênio, que é um dos materiais dichalcogenetos de metais de transição, é classificado como um semimetal e conduz eletricidade como metais em grande quantidade. As novas descobertas detalham que em uma forma de cristal de camada única, em temperaturas de menos de 1 kelvin até a faixa de nitrogênio líquido (-320.4 graus Fahrenheit), o ditelureto de tungstênio hospeda três fases distintas: topologicamente isolante, supercondutor e metálico. Uma tensão aplicada conduz a transição entre essas fases, que variam com a temperatura e a concentração de elétrons. Em materiais supercondutores, os elétrons fluem sem resistência, não gerando calor.
As novas descobertas foram publicadas online no jornal Ciência. Valla Fatemi PhD '18, que agora é pós-doutorado em Yale, e pós-doutorado Sanfeng Wu, que é Pappalardo Fellow no MIT, são co-autores do artigo com o autor sênior Jarillo-Herrero. Os co-autores são o estudante de pós-graduação do MIT Yuan Cao; ex-pós-doutorado Landry Bretheau da École Polytechnique na França; Quinn D. Gibson, da University of Liverpool, no Reino Unido; Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão; e Robert J. Cava, professor de química na Universidade de Princeton.
Como um fio quântico
O novo trabalho baseia-se em um Denunciar no início deste ano pelos pesquisadores que demonstraram o efeito Hall do spin quântico (QSH), que é o fenômeno físico característico dos isoladores topológicos bidimensionais, no mesmo material de ditelureto de tungstênio de camada única. Essa corrente de borda é governada pelo spin dos elétrons, e não por sua carga, e elétrons de spin oposto se movem em direções opostas. Esta propriedade topológica está sempre presente no material em baixas temperaturas.
Este efeito Hall do spin quântico persistiu até uma temperatura de cerca de 100 kelvins (-279.67 graus F). “Portanto, é o isolante topológico 2-D de temperatura mais alta até agora”, disse o pós-doutorando Sanfeng Wu, que também foi o primeiro autor do artigo anterior. “É muito importante que um estado quântico interessante como esse sobreviva a altas temperaturas para uso em aplicações.”
Este comportamento, no qual as bordas do material ditelureto de tungstênio agem como um fio quântico, foi previsto em 2014, em um artigo teórico do professor associado de física Liang Fu e Ju Li, professor de ciência nuclear e engenharia e ciência de materiais e engenharia. Materiais com essas qualidades são procurados para dispositivos de computação spintrônica e quântica.
Embora o fenômeno de isolamento topológico tenha sido observado em até 100 kelvins, o comportamento supercondutor no novo trabalho ocorreu a uma temperatura muito mais baixa de cerca de 1K.
Este material tem a vantagem de entrar no estado supercondutor com uma das menores densidades de elétrons para qualquer supercondutor 2-D. “Isso significa que aquela pequena densidade de portador necessária para torná-lo um supercondutor é aquela que você pode induzir com dielétricos normais, com dielétricos regulares e usando um pequeno campo elétrico”, explica Jarillo-Herrero.
Abordando as descobertas do comportamento de isolamento topológico em telureto de tungstênio 2-D no primeiro artigo, e as descobertas de supercondutividade no segundo, Wu diz: “Esses são papéis gêmeos, cada um deles é lindo e sua combinação pode ser muito poderosa . ” Wu sugere que as descobertas apontam o caminho para a investigação de materiais topológicos 2-D e podem levar a uma nova base material para computadores quânticos topológicos.
Os cristais de ditelureto de tungstênio foram cultivados na Universidade de Princeton, enquanto os cristais de nitreto de boro foram cultivados no Instituto Nacional de Ciência de Materiais no Japão. A equipe do MIT construiu os dispositivos experimentais, realizou as medições de transporte eletrônico em temperaturas ultra-frias e analisou os dados no Instituto.
Descoberta simultânea
Jarillo-Herrero observa que esta descoberta de que o ditelureto de tungstênio monocamada pode ser sintonizado em um supercondutor usando nanofabricação de semicondutores padrão e técnicas de efeito de campo elétrico foi realizada simultaneamente por um grupo competidor de colaboradores, incluindo o Professor David Cobden da Universidade de Washington e o Professor Associado Joshua Folk na University of British Columbia. (Seus artigo - "Supercondutividade induzida por porta em um isolador topológico de monocamada" - está sendo publicado online ao mesmo tempo em Science First Release.)
“Foi feito de forma independente nos dois grupos, mas ambos fizemos a mesma descoberta”, diz Jarillo-Herrero. “A melhor coisa que pode acontecer é que sua grande descoberta seja reproduzida imediatamente. Isso dá mais confiança à comunidade de que isso é algo muito real. ”
Jarillo-Herrero foi eleito como companheiro da American Physical Society no início deste ano com base em suas contribuições seminais para o transporte eletrônico quântico e optoeletrônica em materiais e dispositivos bidimensionais.
Passo em direção à computação quântica
Uma área particular onde esta nova capacidade pode ser útil é a realização de modos Majorana na interface de materiais topologicamente isolantes e supercondutores. Previstos pela primeira vez por físicos em 1937, os férmions de Majorana podem ser considerados como elétrons divididos em duas partes, cada uma das quais se comportando como uma partícula independente. Esses férmions ainda não foram encontrados como partículas elementares na natureza, mas podem surgir em certos materiais supercondutores próximos à temperatura zero absoluta.
“É interessante por si só do ponto de vista da física fundamental e, além disso, tem perspectivas de ser de interesse para a computação quântica topológica, que é um tipo especial de computação quântica”, diz Jarillo-Herrero.
A singularidade dos modos de Majorana reside em seu comportamento exótico quando alguém troca suas posições, uma operação que os físicos chamam de "trança" porque os traços dependentes do tempo dessas partículas de troca parecem uma trança. As operações de trança não podem mudar os estados quânticos de partículas regulares como elétrons ou fótons, no entanto, trançar partículas de Majorana muda seu estado quântico completamente. Esta propriedade incomum, chamada de “estatística não Abeliana”, é a chave para a realização de computadores quânticos topológicos. Uma lacuna magnética também é necessária para fixar o modo Majorana em um local.
“Este trabalho é muito bonito”, diz Jason Alice, professor de física teórica do Caltech, que não esteve envolvido nesta pesquisa. “Os ingredientes básicos necessários para os modos de engenharia de Majorana - supercondutividade e intervalo de estados de borda por magnetismo - foram agora demonstrados separadamente no WTe2. "
“Além disso, a observação da supercondutividade intrínseca por gating é potencialmente um grande benefício para aplicações avançadas de modos Majorana, por exemplo, tranças para demonstrar estatísticas não-Abelianas. Para este fim, pode-se imaginar o projeto de redes complexas e dinamicamente sintonizáveis de estados de borda supercondutores quânticos-spin-Hall por meios eletrostáticos. ” Alicea diz. “As possibilidades são muito empolgantes.”
O trabalho foi apoiado pela Fundação Gordon e Betty Moore e também foi parcialmente apoiado pelo Escritório de Ciências de Energia Básica do Departamento de Energia dos Estados Unidos, a Fundação Nacional de Ciências e a Iniciativa de Estratégia Elemental no Japão.
