С тех пор ученые обнаружили более экзотические топологические фазы, включая полуметаллы Дирака, полуметаллы Вейля и аксионные изоляторы. Но совсем недавно были теоретически предсказаны материалы, которые изолируют в объеме, на поверхностях и краях, но являются металлическими только на шарнирах или в углах. Эти причудливые новые материалы, называемые топологическими изоляторами высшего порядка, встречаются крайне редко, и пока экспериментально доказано, что только элемент висмут может принадлежать к этой категории.
Что такое шарнирное состояние?? Представьте себе коробку – длиннее и шире, чем высокий – с клапанами сверху и снизу, которые вы можете открыть, чтобы положить внутрь вещи. Пространство внутри коробки назовем объемным.
Большинство материалов, проводящих электричество, делают это в большом количестве. Однако в топологических изоляторах большая часть коробки является электроизоляционной, но верхняя и нижняя части – створки – металлические и поддерживают состояние поверхности. Для некоторых материалов основная часть, верх и низ коробки изолируют, но боковые стороны (края) металлические.
У них есть краевые состояния, которые были продемонстрированы в магнитных топологических изоляторах. Наконец, в топологических изоляторах более высокого порядка основная часть, верх, низ и стороны коробки являются изолирующими, но шарниры и углы коробки являются металлическими и имеют разные шарнирные или угловые состояния. Эти шарнирные состояния также были предсказаны для существования в топологических полуметаллах, таких как висмут. В частности, ожидается, что шарнирные состояния будут многообещающими для изучения спинтроники, поскольку направление их распространения связано с их спином, а также для майорановских фермионов, которые активно исследуются для их применения в отказоустойчивых квантовых вычислениях.
Теперь международная группа ученых из США, Гонконга, Германии и Южной Кореи определила новый топологический изолятор более высокого порядка. Это слоистый двумерный дихалькогенид переходного металла (TMDC) под названием WTe2.
Это известный в физике конденсированного состояния материал, который демонстрирует множество экзотических свойств, от титанового магнитосопротивления до квантованного спинового эффекта Холла. Это был первый пример полуметалла Вейля типа II, который можно превратить в устройства толщиной всего в один слой, которые можно расслаивать, как графен. WTe2 также показал свою сверхпроводимость под давлением, что означает, что электроны образуют пары, и сверхток проходит через него без какого-либо сопротивления.
В дополнение к этому карнавалу свойств физики-теоретики в 2019 году представили WTe2 и его родственный материал MoTe2 как топологические изоляторы более высокого порядка с металлическими шарнирными состояниями. Многие исследовательские группы по всему миру с тех пор искали доказательства этих экзотических состояний в WTe2 и MoTe2, и некоторые недавние результаты показали, что на их краях есть экстрапроводящие состояния. Но исследователи не смогли определить, действительно ли это были краевые состояния или очень востребованные шарнирные состояния.
В исследовании, опубликованном в Nature Materials 6 июля 2020 года, команда под руководством Кин Чунг Фонга (Raytheon BBN Technologies), Mazhar N. Али (Институт физики микроструктур Макса Планка, а также Material Mind Inc.), Кам Туен Ло (Гонконгский университет науки и технологий) и Гил-Хо Ли (Университет науки и технологий Пхохана и Азиатско-Тихоокеанский центр теоретической физики) применили новый подход, используя контакты Джозефсона для пространственного разрешения сверхтока. потока и показать, что WTe2 действительно имеет шарнирные состояния и является топологическим изолятором более высокого порядка (Ссылка на статью).
Джозефсоновские переходы – невероятно важное устройство и инструмент в физике. Они используются в различных технологических приложениях, включая аппараты магнитно-резонансной томографии (МРТ), а также в кубитах, которые являются строительными блоками квантовых компьютеров.
Эти переходы образуются, когда два сверхпроводящих электрода, таких как ниобий (Nb), соединяются несверхпроводящим мостом, таким как высококачественный WTe2 в тонкопленочном устройстве. Когда температура достаточно снижена, сверхток, который вводится от одного Nb-электрода, может проходить через мост без сопротивления другому Nb-электроду. Поэтому в целом устройство показывает нулевое сопротивление и считается сверхпроводящим.
Однако через мост невозможно передать бесконечное количество сверхтока, сохраняя при этом сверхпроводимость. Когда введенный ток превышает критический ток, переход переходит в нормальное состояние и демонстрирует конечное сопротивление. Эффект Джозефсона утверждает, что в зависимости от приложенного магнитного поля критический ток будет колебаться по схеме Фраунгофера между высокими и низкими значениями из-за изменения фазы сверхпроводящей волновой функции в образце.
Команда поняла, что в этом колебании скрыта информация о местоположении сверхтока, когда он движется в образце. Сделав обратное преобразование Фурье паттерна Фраунгофера, исследователи смогли визуализировать сверхтоковый поток в образце и обнаружили, что он действительно движется по сторонам устройства WTe2. Однако этого было недостаточно, чтобы отличить краевые состояния от шарнирных состояний.
Как показано на рисунке ниже, из-за причуды в основе симметрии происхождения состояний шарнира, не все шарниры идентичны на образце WTe2. Например, на образце есть состояния металлических петель в верхнем левом и нижнем правом шарнирах, но не в верхнем правом или нижнем левом.
Это отличается от краевого состояния, которое просто существовало бы на всей левой и правой сторонах образца. По этому поводу Кин Чунг Фонг из Raytheon BBN Technologies объясняет: «Мы использовали эту разницу в своих интересах. Подключив сверхпроводящие электроды только к верхней половине образца, а не к нижней половине, мы поняли, что увидим другую картину Фраунгофера, если бы существовали шарнирные состояния, а не краевые состояния.Далее он прокомментировал: «В этой конфигурации электроды будут подключаться только к одному из шарнирных состояний (i.е. вверху слева, а не внизу справа), что покажет отчетливый образец фраунгофера. Если бы были краевые состояния, эта конфигурация не отличалась бы от подключения к нижней и верхней половинам образца, и фраунгофер выглядел бы одинаково."Когда они проводили этот сложный эксперимент, они наблюдали отличительную черту шарнирного состояния, а не краевого состояния.
"Но это не все. WTe2 – орторомбический материал с довольно низкой симметрией и высокой кристаллической анизотропией.
Различные направления в кристалле не эквивалентны, и мы также предположили и подтвердили, что шарнирные состояния, существующие в WTe2, также не все эквивалентны. В некоторых направлениях они смешиваются с основной массой, а в других – нет ", – пояснил Кам Туен Ло из Гонконгского университета науки и технологий.
«В ближайшем будущем, когда в WTe2 были обнаружены шарнирные состояния, в этих соединениях предстоит изучить множество интересных физических аспектов физики», – отметил Гил Хо Ли из Университета науки и технологий Пхохана. Он добавил: «Возможность создания межсоединений без диссипации, настоящие одномерные сверхпроводящие нанопроволоки и устройства спинтроники, топологическая сверхпроводимость, майорановские фермионы и, соответственно, топологические квантовые компьютеры – все это на горизонте."
Mazhar N. Али из Института физики микроструктуры им. Макса Планка объяснил: «WTe2 может быть вторым материалом, в котором обнаружены шарнирные состояния, но он сильно отличается от другого кандидата, висмута.
Будучи 2D, WTe2 легко превращается в наноустройства с контролируемыми поверхностями, и его можно наслоить поверх других 2D-материалов в гетероструктурах и даже поверх самого себя, если он слегка скручен, чтобы сформировать муаровую сверхрешетку.Он добавил: «Ожидается, что его родственный материал MoTe2 будет демонстрировать такие же шарнирные состояния, но при низких температурах он является внутренним сверхпроводником."Он взволнованно спросил:" Как можно изменять, контролировать и использовать эти шарнирные состояния? Впереди много интересных исследовательских возможностей."