长期以来物理学家们一直未能找到的一个发现:超导电性的边缘

超导电性在边缘

普林斯顿大学的研究人员在具有拓扑性质的超导体的外缘发现了超导电流,这表明了一条通往拓扑超导的路径,在未来的量子计算机中可能会有用。图中的黑色中心表示超导性,表示对电流没有阻力。锯齿状图案表明超导性的振荡随外加磁场的强度而变化。资料来源:普林斯顿大学史蒂芬·金

普林斯顿研究人员检测超级电流- - - - - -无能量损失流动的电流- - - - - -在具有拓扑扭曲的超导体的边缘。

在普林斯顿的一个实验室里,物理学家们发现了一个长期以来一直被忽视的发现。一组物理学家在超导材料的外部边缘检测到了超导电流——一种不浪费能量的电子流动。这一发现发表在5月1日的《科学》杂志上。

研究人员研究的超导体也是一种拓扑半金属,这种材料有其独特的电子特性。这一发现为开启一个有价值的“拓扑超导”新时代提供了途径量子计算

“据我们所知,这是第一次在超导体中观察到边缘超流,”普林斯顿大学尤金·希金斯(Eugene Higgins)物理学教授、该研究的资深作者王奈范(Nai Phuan Ong)说。

“我们的问题是,如果材料的内部不是绝缘体而是超导体,会发生什么?””昂说。“当超导性出现在拓扑材料中时,会出现什么新的特征?”

尽管传统的超导体已经在磁共振成像(MRI)和长距离传输线上广泛使用,但是新型超导性可能释放出超出我们熟悉技术的局限性的能力。

普林斯顿大学和其他地方的研究人员一直在探索超导性和拓扑绝缘体之间的联系——拓扑绝缘体的不符合规范的电子行为是普林斯顿大学谢尔曼费尔德大学物理学教授f·邓肯·霍尔丹2016年诺贝尔物理学奖的主题。

拓扑绝缘体是具有绝缘内部和导电表面的晶体,如在锡箔中包裹的棕色。在导电材料中,电子可以跳原子让电流流动。绝缘体是电子被粘在其中而不能移动的材料。然而奇怪的是,拓扑绝缘体允许电子在其表面运动,却不允许电子在其内部运动。

为了探索拓扑材料中的超导性,研究人员转向了一种名为二碲化钼的晶体材料,这种材料具有拓扑特性,并且在温度低于寒冷的100微尔文(零下459度)时也是超导体华氏温度

“到目前为止所做的大部分实验都涉及通过将一种物质靠近另一个材料来”将“超导材料”注入拓扑材料中,“电气工程研究生斯蒂芬金·金斯蒂夫汉基·金斯蒂夫说,他们进行了许多实验。“关于我们的测量有何不同,我们没有注入超导性,但我们能够显示边缘状态的签名。”

该团队首先在实验室培育晶体,然后将它们冷却到超导的温度。然后,他们施加一个弱磁场,同时测量通过晶体的电流。他们观察到,当磁场增大时,一个被称为临界电流的量会显示振荡,呈锯齿状。

振荡的高度和频率都与这些振荡是如何从限制在材料边缘的电子的量子行为中产生的预测相吻合。

“当我们完成第一个样本的数据分析时,我看着我的电脑屏幕,无法相信我的眼睛,我们所观察到的振荡是如此美丽,但却如此神秘,”沃迪王说,谁说是第一个作者领导了这项研究并获得他的博士学位。在2019年的普林斯顿的物理学中。“这就像一个开始揭示自己并且正在等待解决的难题。后来,当我们收集来自不同样本的更多数据时,我惊讶于数据如何合适。“

研究人员长期以来,当电子通常随机移动时,超导地产生超导性,绑定到TWO以形成Cooper对,这在一个感觉舞蹈到同一个节拍中。“一个粗略的类比是执行相同紧密脚本的舞蹈编排的十亿夫妻,”Ong说。

Ong说,电子遵循的脚本被称为超导体的波函数,它可以被粗略地看作沿着超导导线拉伸的带状。波函数的轻微扭曲迫使长导线中所有的铜对以“超流体”一样的速度移动——换句话说,就像一个集合而不是单个粒子——流动时不产生热量。

如果没有沿着带的曲折,ONG表示,Cooper对是静止的,没有电流流动。如果研究人员将超导体暴露于弱磁场,这对研究人员称之为磁通量的扭曲增加了额外贡献,即对于诸如电子的非常小的颗粒,遵循量子力学的规则。

研究人员预计这两个贡献者对曲折的数量,超流速度和磁通量,一起工作,以保持曲折的曲折数量,例如2,3或4的整数,而不是3.2或a3.7。他们预测,随着磁通量平稳地增加,由于超流速度调整以取消额外的.2或添加.3以获得确切数量的曲折,随着磁通量平稳地增加。

当他们改变磁通量时,研究小组测量了超流电流,发现锯齿状的模式确实可见。

在二碲化钼和其他所谓的韦尔半金属中,原子体中的铜对电子似乎在边缘诱发了类似的配对。

研究人员指出,目前还没有很好地了解为什么边缘超流与整体超流无关。Ong将电子集体移动,也称为冷凝物,比作液体的水坑。

“从古典期望中,人们希望两种流体水坑直接接触以合并成一个,”Ong说。“然而,实验表明,边缘冷凝物在晶体中的大部分中仍然不同。”

研究小组推测,阻止两种冷凝物混合的机制是继承了二碲化钼中受保护的边缘态的拓扑保护。该小组希望将同样的实验技术应用到其他非常规超导体中寻找边缘超电流。

“那里可能会有分数,”Ong说。

参考:“Weyl Supercondule Mote2中的边缘超级电流的证据”由Wudi Wang,Stephan Kim,Minhao Liu,F.A.Cavallos,Robert。J.Cava和Nai Phuan Ong,2020年5月1日,科学
DOI: 10.1126 / science.aaw9270

资金:美国军队研究办公室(W911NF-16-1-0116)支持该研究。稀释冰箱实验得到了美国能源部(DE-SC0017863)的支持。n.p.o.和r.j.c。通过授予GBMF4539(N.P.O.)和GBMF-4412(R.J.C.),承认戈登和贝蒂摩尔基金会的支持率倡议倡议倡议的突发现象。晶体的生长和表征由F.A.c.进行。r.j.c.,来自国家科学基金会的支持(NSF MRSEC授予DMR 1420541)。

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