Непроводящий висмут с сурьмой оказался топологическим сверхпроводником — Naked Science
13 минут
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.
ФизТех
202 статей
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.
Позавчера, 18:58
8 минут
Мария Азарова

На «Романцевских горах» в Тульской области нашелся еще один серебристый «монолит». Однако теперь мы знаем, кто его создал — и с какой целью.

Сегодня, 13:43
24 минуты
Ольга Иванова

Почему провидцы не предсказали пандемию коронавируса? Ответ очевиден: по той же причине, по которой они не выигрывают в лотерею. Экстрасенсы попросту не знают будущего. Впрочем, этот факт неочевиден для большинства тех, кто верит в мистику. Разберемся, почему люди не обращают внимание на такие простые противоречия и безоговорочно доверяют экстрасенсам, когда их предсказания начинают совпадать с действительностью. Спойлер: дело не в недостатке образования.

Позавчера, 13:59
4 минуты
Ольга Иванова

Финские ученые показали: чтобы привести образование глюкозы в крови к нормальным значениям, достаточно съесть после еды черную смородину. Они уточнили также размер порции этого продукта.

30 ноября
7 минут
Василий Парфенов

История с загадочным артефактом в американском штате Юта становится все запутаннее. Мало того, что, вопреки всем предосторожностям властей, «монолит» нашли любопытные граждане, так его еще украли. А недавно стало известно об аналогичной находке в Европе — на территории археологического памятника в Пятра-Нямце, Румыния.

3 декабря
2 минуты
Илья Ведмеденко

В Калифорнии нашелся новый объект, похожий на монолит из «Космической одиссеи». Ранее нечто похожее обнаружили в штате Юта и на территории Румынии.

Позавчера, 18:58
8 минут
Мария Азарова

На «Романцевских горах» в Тульской области нашелся еще один серебристый «монолит». Однако теперь мы знаем, кто его создал — и с какой целью.

14 ноября
35 минут
Василий Парфенов

На вопрос, кто проживает на дне океана, люди отвечают по-разному. Дети и некоторые взрослые скажут: Губка Боб Квадратные Штаны. Фанаты Лавкрафта благоговейно, но с огоньком в глазах пробормочут нечто вроде «Ктулху фхтагн». А подводники и океанологи задумчиво посмотрят на вопрошающего и, если повезет, расскажут много интересного. Про квакеров, «биоуток», «блуп» и еще Посейдон его знает какие аномальные явления подводного мира.

22 ноября
24 минуты
Александр Березин

Планеты вокруг нашего Солнца расположены совсем не так, как в других системах. И это имеет крайне необычные практические последствия: расчеты показывают, что вокруг нашей звезды должны вращаться две потенциально обитаемые планеты, а не одна, как сейчас. Одна из них куда-то бесследно исчезла – и это еще в лучшем случае. Рассказываем, почему так получилось и кто конкретно в этом виноват.

24 ноября
8 минут
Мария Азарова

Попадание патогена в эпителий слизистой дыхательных путей и захват вирусом бокаловидных клеток приводит к нарушению слизистого барьера. Из-за уменьшения количества муцина снижается не только обонятельная чувствительность, но и возникают неприятные ощущения в носу и рту, в том числе сухость.

[miniorange_social_login]

Комментарии

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

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: