Una técnica innovadora de preparación de muestras ha permitido a los investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y la Universidad de Tokio realizar el estudio más controlado y sensible hasta la fecha de un aislante topológico TI estrechamente acoplado a un superconductor SC.Los científicos observaron el efecto de proximidad superconductora superconductividad inducida en el TI debido a su proximidad al SC y midieron su relación con la temperatura y el grosor del TI.
Los TI con superconductividad inducida son de gran interés para los físicos porque tienen el potencial de albergar fenómenos físicos exóticos, incluido el esquivo fermión Majorana, una partícula elemental teorizada para ser su propia antipartícula, y exhibir supersimetría, un fenómeno que llegamás allá del modelo estándar que arrojaría luz sobre muchos problemas sobresalientes en física. Los TI superconductores también son muy prometedores para aplicaciones tecnológicas, que incluyen computación cuántica topológica y espintrónica.
Los superconductores topológicos de origen natural son raros, y los que han sido investigados han exhibido brechas superconductoras extremadamente pequeñas y temperaturas de transición muy bajas, lo que limita su utilidad para descubrir las propiedades y comportamientos físicos interesantes que se han teorizado.
Los TI se han utilizado en la ingeniería de superconductores topológicos superconductores TI / SC, mediante el crecimiento de TI en un sustrato superconductor. Desde su descubrimiento experimental en 2007, los TI han intrigado a los físicos de la materia condensada, y una oleada de investigaciones teóricas y experimentales que tienen lugar alrededorEl mundo ha explorado las propiedades de la mecánica cuántica de esta clase extraordinaria de materiales. Estos materiales 2D y 3D son aislantes en su mayor parte, pero conducen la electricidad en sus bordes o superficies externas a través de estados electrónicos de superficie especiales que están protegidos topológicamente, lo que significa que pueden "Puede ser fácilmente destruido por impurezas o imperfecciones en el material.
Pero diseñar tales sistemas TI / SC a través de películas delgadas de TI en sustratos superconductores también ha resultado desafiante, dados varios obstáculos, incluyendo desajuste de la estructura reticular, reacciones químicas y defectos estructurales en la interfaz, y otros factores aún poco conocidos.
Ahora, una novedosa técnica de cultivo de muestras desarrollada en la U. de I. ha superado estos obstáculos. Desarrollada por el profesor de física James Eckstein en colaboración con el profesor de física Tai-Chang Chiang, la nueva muestra TI / SC "flip-chip"La técnica de crecimiento permitió a los científicos producir películas delgadas de capas de seleniuro de bismuto TI bien estudiado en la parte superior del niobio SC prototípico, a pesar de sus estructuras de celosía cristalina incompatibles y la naturaleza altamente reactiva del niobio.
Según Chiang, estos dos materiales en conjunto son ideales para explorar aspectos fundamentales de la física de TI / SC: "Este es posiblemente el ejemplo más simple de TI / SC en términos de estructuras electrónicas y químicas. Y el SC que utilizamostiene la temperatura de transición más alta entre todos los elementos en la tabla periódica, lo que hace que la física sea más accesible. Esto es realmente ideal; proporciona una base más simple y accesible para explorar los conceptos básicos de la superconductividad topológica ", comenta Chiang.
El método permite un control muy preciso sobre el grosor de la muestra, y los científicos observaron un rango de 3 a 10 capas de TI, con 5 capas atómicas por capa de TI. Las mediciones del equipo mostraron que el efecto de proximidad induce la superconductividad en ambos estados generalesy los estados de la superficie topológica de las películas de TI. Chiang enfatiza, lo que vieron ofrece nuevas ideas sobre el emparejamiento superconductor de los estados de la superficie topológica polarizada por rotación.
"Los resultados de esta investigación no son ambiguos. Vemos la señal claramente", resume Chiang. "Investigamos la brecha superconductora en función del grosor de la película TI y también en función de la temperatura. Los resultados son bastante simples: ella brecha desaparece a medida que avanza por encima de la temperatura de transición del niobio. Eso es bueno, es simple. Muestra que la física funciona. Más interesante es la dependencia del grosor de la película. No es sorprendente que veamos que la brecha superconductora se reduce para aumentar el grosor de la película TI,pero la reducción es sorprendentemente lenta. Esta observación plantea una pregunta intrigante sobre cómo se induce el emparejamiento en la superficie de la película mediante el acoplamiento en la interfaz ".
Chiang atribuye a Eckstein el desarrollo del ingenioso método de preparación de muestras. Se trata de ensamblar la muestra en orden inverso, sobre un sustrato de sacrificio de óxido de aluminio, comúnmente conocido como el zafiro mineral. Los científicos pueden controlar el número específico de capasde cristales de TI crecidos, cada uno de quintuples de espesor atómico. Luego se deposita por pulverización una capa policristalina superconductora de niobio en la parte superior de la película de TI. La muestra se voltea y la capa de sacrificio que había servido como sustrato se desaloja golpeando un"pasador de escisión". Las capas se escinden precisamente en la interfaz de la TI y el óxido de aluminio.
Eckstein explica: "La técnica de 'flip-chip' funciona porque las capas no están fuertemente unidas, son como una pila de papel, donde hay fuerza en la pila, pero puedes separar las capas fácilmente. Aquí, tenemos una red triangular de átomos, que viene en paquetes de cinco: estas capas están fuertemente unidas. Las siguientes cinco capas se encuentran en la parte superior, pero están débilmente unidas a las cinco primeras. Resulta que el enlace más débil está justo enla interfaz sustrato-TI. Cuando se corta, este método proporciona una superficie pura, sin contaminación por exposición al aire ".
La escisión se realizó en un vacío ultraalto, dentro de un instrumento altamente sensible en el Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad de Tokio capaz de espectroscopía de fotoemisión de resolución angular ARPES a un rango de temperaturas.
Chiang reconoce: "Las características superconductoras se producen a escalas de energía muy pequeñas; requiere una resolución de energía muy alta y temperaturas muy bajas. Esta parte del experimento fue completada por nuestros colegas de la Universidad de Tokio, donde tienen los instrumentoscon la sensibilidad para obtener la resolución que necesitamos para este tipo de estudio. No podríamos haber hecho esto sin esta colaboración internacional ".
"Este nuevo método de preparación de muestras abre muchos caminos nuevos en la investigación, en términos de física exótica y, a largo plazo, en términos de posibles aplicaciones útiles, incluso incluso la construcción de un mejor superconductor. Permitirá la preparación demuestras que utilizan una amplia gama de otros TI y SC. También podría ser útil en la miniaturización de dispositivos electrónicos y en la informática espintrónica, que requeriría menos energía en términos de disipación de calor ", concluye Chiang.
Eckstein agrega: "Hay mucha emoción sobre esto. Si podemos hacer una TI superconductora, las predicciones teóricas nos dicen que podríamos encontrar una nueva excitación elemental que haría un bit cuántico topológico ideal, o qubit. Estamosaún no existe, y todavía hay muchas cosas de las que preocuparse. Pero sería un qubit cuya función de onda mecánica cuántica sería menos susceptible a perturbaciones locales que podrían causar cálculos de desfasamiento y desorden ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Facultad de Ingeniería de la Universidad de Illinois . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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