Các nhà nghiên cứu tại Viện nghiên cứu vật liệu và chất rắn Leibniz tại IFW Dresden, Đức, đã tìm thấy bằng chứng về tính siêu dẫn bề mặt trong một loại vật liệu tôpô được gọi là bán kim loại Weyl. Điều thú vị là tính siêu dẫn đến từ các electron bị giới hạn trong cái gọi là cung Fermi, hơi khác nhau ở bề mặt trên và dưới của mẫu được nghiên cứu. Hiện tượng này có thể được sử dụng để tạo ra các trạng thái Majorana – các giả hạt được tìm kiếm từ lâu, có thể tạo ra các bit lượng tử cực kỳ ổn định, có khả năng chịu lỗi cho máy tính lượng tử thế hệ tiếp theo. Trong khi đó, một nhóm khác tại Đại học bang Pennsylvania ở Mỹ đã chế tạo được chất siêu dẫn tôpô bất đối xứng bằng cách kết hợp hai vật liệu từ tính. Các trạng thái Majorana cũng có thể được tìm thấy trong vật liệu mới này.

Các chất cách điện tôpô đang cách điện với số lượng lớn nhưng dẫn điện cực kỳ tốt ở các cạnh của chúng thông qua các trạng thái điện tử đặc biệt, được bảo vệ theo cấu trúc liên kết. Các trạng thái tôpô này được bảo vệ khỏi những biến động trong môi trường của chúng và các electron trong chúng không bị tán xạ ngược. Vì tán xạ ngược là quá trình tiêu tán năng lượng chính trong thiết bị điện tử, điều này có nghĩa là những vật liệu này có thể được sử dụng để chế tạo các thiết bị điện tử tiết kiệm năng lượng cao trong tương lai.

Bán kim loại Weyl là một loại vật liệu tôpô được phát hiện gần đây, trong đó các kích thích điện tử hoạt động như các fermion, Weyl, không khối lượng – được dự đoán lần đầu tiên vào năm 1929 bởi nhà vật lý lý thuyết Herman Weyl như một nghiệm của phương trình Dirac. Những fermion này hoạt động hoàn toàn khác với các electron trong kim loại hoặc chất bán dẫn thông thường ở chỗ chúng thể hiện hiệu ứng từ bất đối. Điều này xảy ra khi một kim loại Weyl được đặt trong một từ trường, tạo ra dòng điện gồm các hạt Weyl dương và âm di chuyển song song và phản song song với từ trường.

Fermion có thể được mô tả bằng lý thuyết của Weyl có thể xuất hiện dưới dạng giả hạt trong chất rắn có các dải năng lượng electron tuyến tính giao nhau tại cái gọi là “nút Weyl”, sự tồn tại của nó trong cấu trúc dải khối chắc chắn đi kèm với sự hình thành “Fermi”. cung” trên cấu trúc dải bề mặt về cơ bản kết nối các cặp “hình chiếu” của các nút Weyl có độ chụm đối diện. Mỗi cung tạo thành một nửa vòng ở bề mặt trên của mẫu và được hoàn thành bằng một cung ở bề mặt dưới.

Các electron bị giới hạn trong các cung Fermi

Trong nghiên cứu của IFW Dresden, được trình bày chi tiết trong Thiên nhiên, một nhóm các nhà nghiên cứu dẫn đầu bởi Sergey Borisenko nghiên cứu bán kim loại platin-bismuth Weyl (PtBi₂). Vật liệu này có một số electron bị giới hạn trong các cung Fermi trên bề mặt của nó. Điều quan trọng là các hồ quang trên bề mặt trên và dưới của vật liệu này có tính siêu dẫn, nghĩa là các electron ở đó ghép cặp với nhau và chuyển động mà không có lực cản. Các nhà nghiên cứu cho biết đây là lần đầu tiên tính siêu dẫn được quan sát thấy trong các cung Fermi, với phần lớn kim loại còn lại, và hiệu ứng này có thể xảy ra nhờ thực tế là các cung này nằm gần bề mặt Fermi (ranh giới giữa các electron bị chiếm và không bị chiếm giữ). cấp độ) của chính nó.

Nhóm nghiên cứu đã thu được kết quả bằng cách sử dụng một kỹ thuật gọi là quang phổ quang phổ phân giải góc (ARPES). Borisenko giải thích: Đây là một thí nghiệm phức tạp trong đó nguồn sáng laser cung cấp các photon năng lượng rất thấp ở nhiệt độ rất thấp và ở góc phát xạ cao bất thường. Ánh sáng này đủ năng lượng để đẩy các electron ra khỏi mẫu và máy dò sẽ đo cả năng lượng và góc mà các electron thoát ra khỏi vật liệu. Cấu trúc điện tử bên trong tinh thể có thể được xây dựng lại từ thông tin này.

“Chúng tôi đã nghiên cứu PtBi₂ trước đây với bức xạ synchrotron và thành thật mà nói, chúng tôi không mong đợi điều gì bất thường,” Borisenko nói. “Tuy nhiên, đột nhiên, chúng tôi bắt gặp một đặc điểm rất sắc nét, sáng sủa và có tính định vị cao xét về mặt năng lượng cuối động lượng – hóa ra đó là đỉnh hẹp nhất từng có trong lịch sử quang phát xạ từ chất rắn.”

Trong các phép đo của mình, các nhà nghiên cứu cũng quan sát thấy sự mở ra của một khe năng lượng siêu dẫn trong các cung Fermi. Vì chỉ những cung này mới có dấu hiệu của khe hở, điều này có nghĩa là tính siêu dẫn hoàn toàn bị giới hạn ở bề mặt trên và dưới của mẫu, tạo thành một loại bánh sandwich siêu dẫn-kim loại-siêu dẫn (phần lớn mẫu là kim loại như đã đề cập). Borisenko giải thích: Cấu trúc này đại diện cho một “điểm nối SNS-Josephson” nội tại.

Một ngã ba Josephson có thể điều chỉnh được

Và đó chưa phải là tất cả: bởi vì bề mặt trên và dưới của PtBi₂ có các cung Fermi riêng biệt, hai bề mặt trở nên siêu dẫn ở nhiệt độ chuyển tiếp khác nhau, nghĩa là vật liệu này là một điểm nối Josephson có thể điều chỉnh được. Những cấu trúc như vậy hứa hẹn nhiều ứng dụng như từ kế nhạy và qubit siêu dẫn.

Về lý thuyết, PtBi₂ cũng có thể được sử dụng để tạo ra các giả hạt gọi là Chế độ không Majorana, được dự đoán là đến từ tính siêu dẫn tôpô. Borisenko cho biết, nếu chúng được chứng minh trong một thí nghiệm, chúng có thể được sử dụng làm qubit cực kỳ ổn định, có khả năng chịu lỗi cho máy tính lượng tử thế hệ tiếp theo. “Thật vậy, chúng tôi hiện đang nghiên cứu khả năng dị hướng trong khe hở siêu dẫn trong PtBi nguyên chất.₂ và cố gắng khám phá các vật thể tương tự trong các tinh thể vật liệu đơn lẻ đã được biến đổi để tìm cách hiện thực hóa tính siêu dẫn tôpô trong đó,” ông nói Thế giới vật lý.

Tuy nhiên, chế độ zero Majorana không dễ phát hiện, nhưng trong PtBi₂ chúng có thể xuất hiện khi các khe siêu dẫn mở ra trong các cung Fermi. Tuy nhiên, sẽ cần nhiều phân tích chi tiết hơn về cấu trúc điện tử của vật liệu để xác nhận điều này, Borisenko nói.

Kết hợp hai vật liệu từ tính

Trong một nghiên cứu riêng biệt, các nhà nghiên cứu tại Đại học bang Pennsylvania đã xếp chồng chất cách điện tôpô sắt từ và chalcogenide sắt phản sắt từ (FeTe). Họ đã quan sát thấy tính siêu dẫn bất đối mạnh ở bề mặt tiếp xúc giữa hai vật liệu – một điều không mong đợi vì tính siêu dẫn và tính sắt từ thường cạnh tranh với nhau, thành viên nhóm nghiên cứu giải thích. Triệu Tinh Lưu.

Thành viên nhóm nghiên cứu cho biết: “Điều này thực sự khá thú vị vì chúng tôi có hai vật liệu từ tính không siêu dẫn nhưng chúng tôi đặt chúng lại với nhau và bề mặt tiếp xúc giữa hai hợp chất này tạo ra tính siêu dẫn rất mạnh”. Cui Zu Chang. “Sắt chalcogenide là chất phản sắt từ và chúng tôi dự đoán đặc tính phản sắt từ của nó xung quanh bề mặt phân cách sẽ bị suy yếu để tạo ra tính siêu dẫn xuất hiện, nhưng chúng tôi cần nhiều thí nghiệm và nghiên cứu lý thuyết hơn để xác minh xem điều này có đúng hay không và để làm rõ cơ chế siêu dẫn.”

Một lần nữa, hệ thống được trình bày chi tiết trong Khoa học, có thể là một nền tảng đầy hứa hẹn để khám phá nền vật lí Majorana, ông nói.

Borisenko cho biết dữ liệu từ các nhà nghiên cứu của bang Pennsylvania là “rất thú vị” và giống như trong công trình của nhóm ông, Liu, Chang và các đồng nghiệp dường như đã tìm thấy bằng chứng về tính siêu dẫn bất thường, mặc dù ở một loại giao diện khác. “Trong nghiên cứu của chúng tôi, bề mặt là bề mặt tiếp xúc giữa khối và chân không chứ không phải giữa hai vật liệu,” ông nói.

Các nhà nghiên cứu của bang Pennsylvania cũng hướng đến việc chứng minh tính siêu dẫn tôpô nhưng họ đã bổ sung thêm các thành phần cần thiết – sự phá vỡ đối xứng và cấu trúc liên kết – theo cách nhân tạo hơn bằng cách đưa các vật liệu liên quan lại với nhau để tạo thành một cấu trúc dị thể, ông giải thích. “Trong trường hợp của chúng tôi, do tính chất độc đáo của bán kim loại Weyl, những thành phần này hiện diện tự nhiên trong một vật liệu duy nhất.”

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/surface-superconductivity-appears-in-topological-materials/