Непроводящий висмут с сурьмой оказался топологическим сверхпроводником — Naked Science
26.10.2018
ФизТех

Непроводящий висмут с сурьмой оказался топологическим сверхпроводником

3.9

Ученые обнаружили способность непроводящего висмута, легированного сурьмой, проводить сверхпроводящий ток внутри своего объема. Это повысит надежность квантовых систем.

Непроводящий висмут с сурьмой оказался топологическим сверхпроводником / ©Пресс-служба МФТИ

Группа исследователей из МФТИ, Университета Твенте и Амстердамского университета обнаружила способность одного из топологических материалов — непроводящего висмута, легированного сурьмой — проводить сверхпроводящий ток внутри своего объема. Топологические материалы — перспективные элементы будущих квантовых устройств благодаря защищенности своих проводящих свойств. Однако до сих пор не удавалось обнаружить такое поведение этих материалов не в поверхностном слое, а в объеме. Это значительно увеличит надежность квантовых устройств. Работа опубликована в Nature Materials.

Александр Голубов, заведующий лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ: «Полученный нами результат является, по мнению научного сообщества, первым шагом к реализации нового типа квантовых алгоритмов и должен ускорить проникновение топологических квантовых вычислений в технологии».

В последние годы область изучения топологических материалов стала очень актуальной. Так, в 2016 году Нобелевская премия по физике была дана Костерлицу, Таулесу и Холдейну за теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз вещества.

Топологические изоляторы

Существует группа материалов, у которых в объеме — сложная структура энергетических зон. Благодаря этому на поверхности возникает проводящее состояние с жесткой зависимостью возможного направления движения электрона от направления его спина. Такие материалы называются топологически защищенными. Обычно электроны, двигаясь в каком-либо веществе, рассеиваются на примесях, поскольку не существует абсолютно чистых материалов. В случае топологически защищенных материалов такой процесс будет невозможен или, как говорят физики, запрещен, ведь, чтобы перевернуть направление движения, нужно будет перевернуть спин. А спин при отсутствии каких-то магнитных примесей или магнитных полей не будет переворачиваться.

Эта группа материалов называется также топологическими изоляторами. Изоляторами — потому что чаще всего в объеме эти материалы работают как изоляторы, они не проводят электрический ток. А на поверхности проводят. Топологическими — потому что именно их внутренняя топология делает поверхность проводящей.

«Это явление, наверное, более фундаментально, чем закон сохранения энергии и импульса. Потому что сохранение энергии в открытой системе работает с точностью до какого-то взаимодействия: поглотили фотон, у нас энергия изменилась. Импульс сохраняется опять же с точностью до рассеяния на примеси или на поверхности кристалла. Топологические изоляторы гораздо более устойчивы. Мы фактически отнимаем одну степень свободы у электронов. Можно менять электронную структуру внутри кристалла, но проводящее состояние на поверхности будет устойчивым, и его никак нельзя разрушить. Оно защищено и от рассеяния на примесях на поверхности», — поясняет соавтор работы, заведующий лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ, Александр Голубов.

Многообещающе выглядит применение таких материалов в квантовых вычислениях. В этой сфере есть одна проблема: квантовое состояние очень легко разрушить. Квантовая частица живет в неизменном состоянии до тех пор, пока не взаимодействует с окружением. Как только возникает взаимодействие с внешней средой, состояние квантовой частицы получает конечное время жизни. Топологическая защита квантовых состояний, по общему мнению, самая стабильная. Первые материалы с такими свойствами были получены несколько лет назад. Это полупроводники разного типа: висмут-селен, висмут-теллур и другие.

Эксперимент с дираковским полуметаллом

Новое слово в области создания топологически защищенных материалов — так называемые дираковские полуметаллы. Они характеризуются тем, что защищенные состояния могут быть даже в объеме вещества. Полуметаллами они называются, потому что занимают по электрическим свойствам промежуточное положение между металлами и полупроводниками.

Этот новый класс материалов еще более интересен для приложений, потому что поверхность подвержена любым химическим воздействиям: могут образоваться дефекты, которые все-таки нарушат эту топологическую защиту. В случае объемных топологически защищенных состояний разрушить их куда сложнее. Именно этот класс материалов на примере висмута, легированного сурьмой, изучался в рамках проделанного эксперимента. Было показано, что, действительно, топологическая защищенность присутствует в объеме пленки толщиной несколько сотен нанометров.

Непроводящий висмут с сурьмой оказался топологическим сверхпроводником
Розовая подложка — кристаллик висмут-сурьмы, голубые полоски — ниобий, который становится сверхпроводником при 264℃. На этом образце авторами изучался эффект Джозефсона. Для этого по электродам из ниобия пропускали сверхпроводящий электрический ток при температурах, близких к абсолютному нулю / Пресс-служба МФТИ

Ученые расположили на пленке из висмут-сурьмы контакты из сверхпроводящего ниобия. По сверхпроводящим электродам из ниобия в заданном направлении пропускался ток, который стимулировал движение электронов в висмут-сурьме от одного электрода к другому. Сверхпроводник позволил получить так называемый Джозефсоновский контакт. Эффект Джозефсона сводится к тому, что при разделении двух сверхпроводников каким-нибудь несверхпроводящим материалом через этот материал может течь сверхпроводящий бездиссипативный ток, который будет переноситься куперовскими парами электронов — носителями сверхпроводящего тока.

4π-периодичность тока

Все сверхпроводники характеризуются макроскопической фазой. Текущий через несверхпроводящий материал Джозефсоновский ток периодически зависит от разности фаз двух сверхпроводников. В квантовой механике все 2π-периодично, то есть любая волновая функция не меняется при изменении фазы на 2π. Текущий ток должен иметь синусоидальную зависимость от разности фаз.

«Эксперимент показал, что если барьером будет служить топологический изолятор, в котором степень свободы у электрона пропадает, ток будет 4π-периодичным, что интуитивно кажется невероятным», — рассказывает Александр Голубов.

Непроводящий висмут с сурьмой оказался топологическим сверхпроводником
Зависимость энергии Джозефсоновского контакта от разности фаз. Разные начальные уровни энергии соответствуют переносу заряда вправо либо влево / Пресс-служба МФТИ

«Направление тока фиксировано, значит, движение электронов возможно только в одну сторону. Система всегда стремится занять минимальный уровень энергии, поэтому естественным образом наша квантовая система занимает нижний энергетический уровень. В обычном случае электрон может двигаться вправо и влево, потому что оба направления спина разрешены. Но когда мы один спин убрали, то электронам ничего не остается, как двигаться в одну сторону. Получается кажущееся нарушение принципа квантовой механики, поскольку при изменении фазы на 2π-электрон проходит только полпути, а полный период будет 4π», — заключает Александр Голубов.

Обнаружение 4π-периодичности текущего через образец ток — прямое доказательство наличия топологической защищенности в объеме исследуемого материала.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Вчера, 13:03
Мария Азарова

Исследование микробиома кишечника, проведенное японскими и американскими учеными, предоставляет один из потенциальных ключей к долголетию и лечению бактериальных инфекций.

11 часов назад
Ольга Иванова

Польские исследователи узнали, какой определяющий фактор стоит за убежденностью людей не вакцинироваться от коронавирусной инфекции.

Вчера, 21:19
Мария Азарова

Руководитель полетов Национального космического агентства США Зебулон Сковилл рассказал, чем обернулся для МКС инцидент с двигателями «Науки».

27 июля
Сергей Васильев

Окаменелости возрастом более 3,4 миллиарда лет могут быть остатками микробов-архей, живших и выделявших метан у гидротермальных источников на дне ископаемого моря.

28 июля
Мария Азарова

Член Северо-Западной организации Федерации космонавтики России Александр Хохлов рассказал о проблемах, сопровождающих модуль «Наука» на пути к МКС, и объяснил, почему на долгожданную стыковку будет всего одна попытка.

Вчера, 13:03
Мария Азарова

Исследование микробиома кишечника, проведенное японскими и американскими учеными, предоставляет один из потенциальных ключей к долголетию и лечению бактериальных инфекций.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

13 июля
Ольга Иванова

Международная команда ученых идентифицировала ДНК из почвы в грузинской пещере. Благодаря этому исследователям удалось восстановить геном человека возрастом 25 тысяч лет, не имея никаких скелетных останков.

8 июля
Василий Парфенов

Подросток из бельгийского города Остенде стал вторым самым юным обладателем высшего образования в обозримой истории. Он с отличием окончил курс физики в Антверпенском университете и теперь собирается защитить магистерскую степень, а затем и докторскую диссертацию в этой области. Цель у него простая и понятная: увеличение продолжительности жизни человека вплоть до полного бессмертия за счет замены частей тела и органов механическими или искусственными.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: