Топологические изоляторы — материалы, которые проводят ток по тонкому поверхностному слою, а в объеме остаются диэлектриками. Оригинальная работа группы Цзюнья Фэна и Ёити Андо сообщала о качественном прорыве в работе с ними. Экспериментальная система состояла из длинной проволоки топизолятора с контактами на концах, середина которой соприкасалась со сверхпроводником. В такой конфигурации возможны два конкурирующих процесса нелокального транспорта. При кросс-андреевском отражении (CAR) электрон из одного контакта попадает в сверхпроводник и забирает с собой электрон из другого контакта — они образуют куперовскую пару. Конкурирующий процесс, упругое котуннелирование (ECT), выглядит проще: электрон просто переходит из одного контакта в другой сквозь сверхпроводник.
Ученые измеряют эти процессы через нелокальную проводимость — отклик тока в одном контакте на малое изменение напряжения на другом. В случае очень маленьких напряжений на контактах ECT дает положительный вклад в проводимость, CAR — отрицательный, так что измеряемая величина определяется разностью двух вкладов.
Авторы оригинальной работы заметили, что при одинаковых напряжениях на контактах нелокальная проводимость отрицательна, и приписали это наблюдению CAR на рекордных 1,5 мкм. Однако, как показали сотрудники факультета физики НИУ ВШЭ Евгений Тихонов и Вадим Храпай, в эксперименте напряжения были недостаточно малыми, поэтому сделать вывод о доминирующем процессе по одному лишь знаку проводимости нельзя. После публичной дискуссии критика была признана обоснованной и опубликована в том же журнале в рубрике Matters Arising.
«Для нас было важно не столько указать именно на ошибку авторов оригинальной статьи в интерпретации результатов, сколько напомнить всему научному сообществу о том, что и методология исследований, и процесс проверки научных статей перед публикацией не идеальны», — рассказал Вадим Храпай, доцент базовой кафедры Института физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна факультета физики НИУ ВШЭ.
Ученые из НИУ ВШЭ на уровне физических уравнений показали, что результат оригинальной работы невозможно объяснить без самозатворного эффекта. Этот эффект означает, что приложенные к контактам напряжения меняют энергетический рельеф, в котором электроны двигаются через образец. Из-за этого вероятности эффектов CAR и ECT начинают зависеть от напряжений на контактах, и в правильно подобранной рабочей точке возникает иллюзия, что проводимость обусловлена преимущественно объединением пар.
«Открытия даются тяжело и дорого, и зачастую, найдя красивое объяснение экспериментальным результатам, ученые с большим скепсисом подходят к рассмотрению альтернатив. Видимо, так случилось и в этот раз. Хорошо, что этот случай разобран публично, и тот же журнал, в котором вышла оригинальная статья, опубликовал и нашу критику. Люди, радеющие за науку, понимают, что это действительно важно», — подвел итог Евгений Тихонов, доцент факультета физики НИУ ВШЭ.
Ученые из НИУ ВШЭ утверждают, что их интерпретация может быть проверена через изучение дробового шума в системе. В родственной экспериментальной системе на основе полупроводниковых нанопроводов такие измерения показали, что вероятности CAR и ECT почти равны в среднем и их разность — лишь малая флуктуация, которая не позволяет судить о доминировании одного из них. Для окончательного разрешения спора необходимы дополнительные измерения, которые покажут, действительно ли эффект CAR является дальнодействующим.