Все новости

В МФТИ нашли первый «объемный» топологический сверхпроводник

До сих пор сверхпроводимость регистрировалась только на поверхностях.

Ученые из МФТИ, Университета Твенте и Амстердамского университета (два последних — в Нидерландах) нашли у непроводящего висмута, легированного сурьмой, сверхпроводимость внутри его объема. Это первый топологический материал с такой возможностью (ранее ее находили только в тонком поверхностном слое). Соответствующая статья опубликована в Nature Materials.

Топологически защищенными, или топологическими изоляторами, называют материалы, в которых наблюдается сложная структура энергетических зон. Благодаря этому на их поверхности возникает проводящее состояние, а в объеме, как правило, — диэлектрическое. Причем проводящее состояние на поверхности имеет жесткую зависимость возможного направления движения электрона от его спина (упрощенно — вращения вокруг своей оси).

Топологическая защищенность проявляется в том, что электроны в таких материалах не могут рассеиваться в объеме, так как он является изолятором. Течение электронов оказывается надежно определенным. Чтобы изменить направление их движения, нужно будет изменить спин, а это при отсутствии магнитных примесей в материале или действующих на него магнитных полей само по себе не произойдет.

Такие характеристики топологических материалов делают их крайне перспективными для применения в квантовых вычислениях. Квантовые биты (кубиты) сильно страдают от неустойчивости квантовых состояний. Как только возникает взаимодействие с внешней средой, состояние квантовой частицы получает конечное и небольшое время жизни. Но если квантовое состояние будет защищено от внешней среды топологическим материалом, то нарушить его будет куда сложнее.

Розовая подложка — кристаллик висмут-сурьмы, голубые полоски — ниобиевые контакты, которые становятся сверхпроводником при -264 градусах по Цельсию
Описание
Розовая подложка — кристаллик висмут-сурьмы, голубые полоски — ниобиевые контакты, которые становятся сверхпроводником при -264 градусах по Цельсию

Авторы новой работы изучили дираковские полуметаллы — топологические материалы, в которых защищенные состояния могут быть даже в объеме вещества. Полуметаллами они называются, потому что занимают по электрическим свойствам промежуточное положение между металлами и полупроводниками. Благодаря сохранению свойств в объемах, защита для квантовых состояний выходит «толще» — внешнему воздействию не удается преодолеть материал, если на его поверхности небольшой дефект.

В ходе экспериментов на образцах висмута, покрытых сурьмой, удалось показать, что топологическая защищенность действительно присутствует в объеме пленки из материала толщиной в несколько сотен нанометров. Хотя такой слой может показаться очень тонким, для дираковского полуметалла речь идет о существенном объеме.

Подтверждением наличия топологической защищенности материала стало то, что волновая функция тока, протекающего через образец легированного сурьмой висмута в состоянии нулевого сопротивления, изменилась при изменении фазы тока на 2π. Если бы топологической защищенности в материале не было, то волновая функция тока осталась бы неизменной.