Сверхпроводники, используемые в мощных магнитах, цифровых схемах и устройствах визуализации, позволяют электрическому току проходить без сопротивления, в то время как топологические изоляторы представляют собой тонкие пленки толщиной всего в несколько атомов, которые ограничивают движение электронов к своим краям, что может привести к уникальным свойствам. Команда, возглавляемая исследователями из Пенсильванского университета, описывает, как они объединили два материала в статье, появившейся 27 октября в журнале Природные материалы.

"Будущее квантовых вычислений зависит от вида материала, который мы называем топологическим сверхпроводником, который может быть сформирован путем объединения топологического изолятора со сверхпроводником, но фактический процесс объединения этих двух материалов является сложным", - сказал Цуй-Цзу Чанг, профессор Генри В. Кнерра в начале карьеры и доцент профессор физики в Пенсильванском университете и руководитель исследовательской группы. "В этом исследовании мы использовали метод, называемый молекулярно-лучевой эпитаксией, для синтеза пленок как топологического изолятора, так и сверхпроводника и создания двумерной гетероструктуры, которая является отличной платформой для изучения явления топологической сверхпроводимости".

В предыдущих экспериментах по объединению двух материалов сверхпроводимость в тонких пленках обычно исчезала, как только сверху выращивался слой топологического изолятора. Физики смогли добавить топологическую изоляционную пленку на трехмерный "объемный" сверхпроводник и сохранить свойства обоих материалов. Однако приложения для топологических сверхпроводников, таких как чипы с низким энергопотреблением внутри квантовых компьютеров или смартфонов, должны быть двумерными.

В этой статье исследовательская группа наложила топологическую изоляционную пленку, изготовленную из селенида висмута (Bi2Se3), различной толщины на сверхпроводящую пленку, изготовленную из монослойного диселенида ниобия (NbSe2), в результате чего получился двумерный конечный продукт. Синтезируя гетероструктуры при очень низкой температуре, команда смогла сохранить как топологические, так и сверхпроводящие свойства.

"В сверхпроводниках электроны образуют "куперовские пары" и могут течь с нулевым сопротивлением, но сильное магнитное поле может разрушить эти пары", - сказал Хемиан Йи, аспирант исследовательской группы Чанга в Пенсильванском университете и первый автор статьи. "Монослойная сверхпроводящая пленка, которую мы использовали, известна своей "сверхпроводимостью типа Изинга", что означает, что куперовские пары очень устойчивы к магнитным полям в плоскости. Мы также ожидали бы, что топологическая сверхпроводящая фаза, сформированная в наших гетероструктурах, будет устойчивой таким образом ".

Тонко регулируя толщину топологического изолятора, исследователи обнаружили, что гетероструктура перешла от сверхпроводимости типа Изинга, где спин электрона перпендикулярен пленке, к другому виду сверхпроводимости, называемому "сверхпроводимостью типа Рашба", где спин электрона параллелен пленке. Это явление также наблюдается в теоретических расчетах и симуляциях исследователей.

Эта гетероструктура также могла бы стать хорошей платформой для исследования майорановских фермионов, неуловимой частицы, которая внесла бы основной вклад в создание топологического квантового компьютера, более стабильного, чем его предшественники.

"Это отличная платформа для исследования топологических сверхпроводников, и мы надеемся, что найдем доказательства топологической сверхпроводимости в нашей продолжающейся работе", - сказал Чанг. "Как только мы получим убедительные доказательства топологической сверхпроводимости и продемонстрируем физику Майораны, тогда этот тип системы может быть адаптирован для квантовых вычислений и других приложений".

Помимо Чанга и Йи, в исследовательскую группу Пенсильванского университета входят Лунь-Хуэй Ху, Юаньси Ван, Рун Сяо, Даниэль Рейфснайдер Хикки, Чэнье Дон, Йи-Фан Чжао, Лин-Цзе Чжоу, Руоси Чжан, Энтони Ричарделла, Насим Алем, Джошуа Робинсон, Мозес Чан, Нитин Самарт, и Чао-Син Лю. В команду также входят Цзяци Цай и Сяодун Сюй из Вашингтонского университета.

Эта работа была в основном поддержана MRSEC штата Пенсильвания по наноразмерной науке, а также частично поддержана Национальным научным фондом, Министерством энергетики, Университетом Северного Техаса и Фондом Гордона и Бетти Мур.