Непроводящий висмут с сурьмой оказался топологическим сверхпроводником

Ученые обнаружили, что топологический материал — непроводящий висмут, легированный сурьмой, — может проводить сверхпроводящий ток внутри своего объема. Топологические материалы можно будет использовать в квантовых устройствах благодаря защищенности проводящих свойств. Однако до сих пор ученые не могли обнаружить такое поведение этих материалов не в поверхностном слое, а в объеме. Это значительно увеличит надежность квантовых устройств. Работа опубликована в Nature Materials.

В объеме особой группы материалов — топологических изоляторов — есть сложная структура энергетических зон. Благодаря этому на поверхности таких материалов возникает проводящее состояние с жесткой зависимостью возможного направления движения электрона от направления его спина. Такие материалы называются топологически защищенными. Обычно электроны, двигаясь в каком-либо веществе, рассеиваются на примесях, поскольку не существует абсолютно чистых материалов. В случае топологически защищенных материалов такой процесс будет невозможен, ведь чтобы перевернуть направление движения, нужно будет перевернуть спин. А спин при отсутствии каких-то магнитных примесей или магнитных полей не будет переворачиваться.

Такие материалы потенциально можно применять в квантовых вычислениях. Однако квантовое состояние очень легко разрушить. Квантовая частица живет в неизменном состоянии до тех пор, пока она не взаимодействует с окружением. Как только возникает взаимодействие с внешней средой, — состояние квантовой частицы получает конечное время жизни. Топологическая защита квантовых состояний самая стабильная. Первые материалы с такими свойствами были получены несколько лет назад. Это полупроводники разного типа: висмут-селен, висмут-теллур и другие. В рамках новой работы физики изучали эти материалы на примере висмута, легированного сурьмой. Ученые показали, что, топологическая защищенность присутствует в объеме пленки толщиной несколько сотен нанометров.

Ученые расположили на пленке из висмут-сурьмы контакты из сверхпроводящего ниобия. По сверхпроводящим электродам из ниобия в заданном направлении физики пропускали ток, который стимулировал движение электронов в висмут-сурьме от одного электрода к другому. Сверхпроводник позволил получить так называемый Джозефсоновский контакт. Эффект Джозефсона сводится к тому, что при разделении двух сверхпроводников каким-нибудь несверхпроводящим материалом, через этот материал может течь сверхпроводящий бездиссипативный ток, который будет переносят куперовские пары электронов — носители сверхпроводящего тока.

Все сверхпроводники характеризуются макроскопической фазой. Текущий через несверхпроводящий материал Джозефсоновский ток периодически зависит от разности фаз двух сверхпроводников. В квантовой механике все 2π-периодично, то есть любая волновая функция не меняется при изменении фазы на 2π. Текущий ток должен иметь синусоидальную зависимость от разности фаз. «Эксперимент показал, что если барьером будет служить топологический изолятор, в котором степень свободы у электрона пропадает, ток будет 4π-периодичным, что интуитивно кажется невероятным», — рассказывает один из авторов работы, сотрудник МФТИ Александр Голубов.

«Направление тока фиксировано, значит, движение электронов возможно только в одну сторону. Система всегда стремится занять минимальный уровень энергии, поэтому естественным образом наша квантовая система занимает нижний энергетический уровень. В обычном случае электрон может двигаться и вправо и влево, потому что оба направления спина разрешены. Но когда мы один спин убрали, то электронам ничего не остается, как двигаться в одну сторону. Получается кажущееся нарушение принципа квантовой механики, поскольку при изменении фазы на 2π электрон проходит только полпути, а полный период будет 4π», — заключает Александр Голубов.

Обнаружение 4π-периодичности текущего через образец тока является прямым доказательством наличия топологической защищенности в объеме исследуемого материала.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.