Данное соединение принадлежит к семейству высокотемпературных сверхпроводников на основе железа, которые были впервые обнаружены в 2008 году. Эти материалы не только проводят электричество без сопротивления при относительно более высоких температурах (но все же очень низких), чем другие классы сверхпроводников, но также обладают магнитными свойствами.
«Некоторое время люди думали, что сверхпроводимость и магнетизм будут работать друг против друга», – сказал первый автор Надер Заки, научный сотрудник Группы электронной спектроскопии Отделения физики конденсированных сред и материаловедения (CMPMS) в Университете Соединенного Королевства.S.
Брукхейвенская национальная лаборатория Министерства энергетики (DOE). "Мы изучили материал, в котором оба развиваются одновременно."
Помимо сверхпроводимости и магнетизма, у некоторых сверхпроводников на основе железа есть подходящие условия для размещения «топологических» поверхностных состояний.
Существование этих уникальных электронных состояний, локализованных на поверхности (их не существует в объеме материала), отражает сильные взаимодействия между спином электрона и его орбитальным движением вокруг ядра атома.
«Когда у вас есть сверхпроводник с топологическими свойствами поверхности, вы воодушевляетесь возможностью топологической сверхпроводимости», – сказал автор-корреспондент Питер Джонсон, руководитель группы электронной спектроскопии. "Топологическая сверхпроводимость потенциально способна поддерживать майорановские фермионы, которые могут служить кубитами, строительными блоками квантовых компьютеров, хранящими информацию."
Квантовые компьютеры обещают колоссальное ускорение вычислений, которые потребуют непрактичного количества времени или будут невозможны на традиционных компьютерах.
Одна из проблем реализации практических квантовых вычислений заключается в том, что кубиты очень чувствительны к окружающей среде. Небольшие взаимодействия заставляют их терять свое квантовое состояние, и, таким образом, сохраненная информация теряется.
Теория предсказывает, что майорановские фермионы (востребованные квазичастицы), существующие в сверхпроводящих топологических поверхностных состояниях, невосприимчивы к возмущениям окружающей среды, что делает их идеальной платформой для надежных кубитов.
Рассматривая сверхпроводники на основе железа как платформу для ряда экзотических и потенциально важных явлений, Заки, Джонсон и их коллеги решили понять роль топологии, сверхпроводимости и магнетизма.
Старший физик отдела CMPMS Генда Гу впервые вырастил высококачественные монокристаллы соединения на основе железа. Затем Заки картировал электронную зонную структуру материала с помощью лазерной фотоэмиссионной спектроскопии.
Когда свет от лазера фокусируется на небольшом пятне на материале, электроны с поверхности «выбрасываются» (т. Е.е., фото отправлено). Затем можно измерить энергию и импульс этих электронов.
Когда снизили температуру, произошло нечто удивительное.
«Материал стал сверхпроводящим, как мы и ожидали, и мы увидели сверхпроводящую щель, связанную с этим», – сказал Заки. "Но чего мы не ожидали, так это того, что топологическое состояние поверхности открывает второй разрыв в точке Дирака. Вы можете представить структуру энергетических зон этого состояния поверхности в виде песочных часов или двух конусов, прикрепленных к их вершине.
Место пересечения этих конусов называется точкой Дирака."
Как объяснили Джонсон и Заки, появление разрыва в точке Дирака свидетельствует о нарушении симметрии обращения времени.
Симметрия с обращением времени означает, что законы физики одинаковы, смотрите ли вы на систему, движущуюся вперед или назад во времени – сродни перемотке видео назад и просмотру той же последовательности событий, воспроизводящейся в обратном направлении. Но при обращении времени спины электронов меняют свое направление и нарушают эту симметрию. Таким образом, одним из способов нарушения симметрии относительно обращения времени является развитие магнетизма, в частности ферромагнетизма, типа магнетизма, при котором все спины электронов выстраиваются параллельно.
«Система переходит в сверхпроводящее состояние и, похоже, развивается магнетизм», – сказал Джонсон. «Мы должны предположить, что магнетизм находится в области поверхности, потому что в этой форме он не может сосуществовать в объеме. Это открытие является захватывающим, потому что в материале много разных физических свойств: сверхпроводимость, топология, а теперь и магнетизм. Я люблю говорить, что это универсальный шоппинг.
Понимание того, как эти явления возникают в материале, может стать основой для многих новых интересных технологических направлений."
Как отмечалось ранее, сверхпроводимость материала и сильные спин-орбитальные эффекты могут быть использованы для квантовых информационных технологий.
В качестве альтернативы, магнетизм материала и сильные спин-орбитальные взаимодействия могут обеспечить передачу электрического тока без рассеяния (без потерь энергии) в электронике. Эта возможность может быть использована для разработки электронных устройств, потребляющих мало энергии.
Соавторы Алексей Цвелик, старший научный сотрудник и руководитель группы CMPMS Division Condensed Matter Theory Group, и Конджун Ву, профессор физики Калифорнийского университета в Сан-Диего, представили теоретические идеи о том, как нарушается симметрия обращения времени и возникает магнетизм. область поверхности.
«Это открытие не только раскрывает глубокую связь между топологическими сверхпроводящими состояниями и спонтанной намагниченностью, но также дает важное понимание природы функций сверхпроводящей щели в сверхпроводниках на основе железа – выдающаяся проблема в исследовании сильно коррелированных нетрадиционных сверхпроводников», – сказал Ву.
В отдельном исследовании с другими сотрудниками отдела CMPMS экспериментальная группа изучает, как разные концентрации трех элементов в образце влияют на наблюдаемые явления. Казалось бы, теллур нужен для топологических эффектов, слишком много железа убивает сверхпроводимость, а селен усиливает сверхпроводимость.
В последующих экспериментах команда надеется проверить нарушение симметрии обращения времени с помощью других методов и исследовать, как замена элементов в соединении изменяет его электронное поведение.
«Как материаловеды, мы любим изменять ингредиенты в смеси, чтобы посмотреть, что происходит», – сказал Джонсон. «Цель состоит в том, чтобы выяснить, как сверхпроводимость, топология и магнетизм взаимодействуют в этих сложных материалах."