拓扑绝缘体为超导“翻转”
通过创新的倒序拓扑满足超导样品制备
Siv Schwink
伊利诺斯18新利在线娱乐官网新利足球州的物理
开创性的样品制备技术使得厄巴纳伊利诺斯州大学的研究人员和东京大学的执行控制和最敏感的拓扑绝缘体的研究到目前为止(TI)紧密耦合超导(SC)。科学家们观察到的超导邻近effect-induced超导钛由于其接近sc和测量温度和TI的厚度的关系。
“这新样品制备方法开辟了许多新的研究途径,奇异的物理,,从长远来看,在可能有用applications-potentially甚至包括建设一个更好的超导体。”
18新利在线娱乐官网新利足球伊利诺斯州物理学教授Tai-Chang蒋介石
这有诱发超导最为感兴趣的物理学家,因为他们有可能主机奇特的物理现象,包括难以捉摸的马约喇纳fermion-an基本粒子理论对展览自己的反粒子而且supersymmetry-a现象超越标准模型,阐明物理学许多突出问题。超导是也为技术应用前景巨大,包括拓扑量子计算和自旋电子学。
天然的拓扑超导体是罕见的,和那些被调查已经显示出极其微小的超导转变温度差距和非常低的,限制其效用来寻找有趣的物理性质和行为的理论。
是被用来工程师超导拓扑超导体(TI / SC),通过越来越多的是超导衬底。自2007年他们的实验发现,这激起了凝聚态物理学家,一系列的理论和实验研究发生在全球范围内探讨了这个非凡的类的量子力学性能的材料。这些2 d和3 d材料是绝缘的大部分,但导电的边缘或外表面通过特殊拓扑保护的表面电子态,这意味着他们不能轻易摧毁由杂质或缺陷的材料。
(唐森物理学教授詹姆斯•Eckstein他的研究生杨巴姨,和物理学教授Tai-Chang蒋介石提出的原子层分子束外延系统用于种植拓扑绝缘体薄膜样品在这项研究中,在伊利诺伊大学Eckstein实验室。图片由l . Brian Stauffer伊利诺伊大学香槟分校
但工程这样的TI / SC系统通过不断增长的钛薄膜超导基质也证明了挑战,鉴于一些障碍,包括晶格结构不匹配,在界面化学反应和结构性缺陷,和其他尚未了解甚少的因素。
现在,一种新的sample-growing技术发达的U我克服这些障碍。由物理学教授詹姆斯Eckstein与物理学教授Tai-Chang蒋介石,新“倒装芯片”TI / SC sample-growing技术允许研究的科学家们产生分层的超薄薄膜TI硒化铋的典型的SC niobium-despite他们不兼容的晶体点阵结构和铌的高活性性质。
这两种材料结合在一起非常适合探测TI / SC物理学的基本方面,蒋说:“这可以说是最简单的例子,一个TI / SC的电子和化学结构。和我们使用的SC转变温度最高在元素周期表中的所有元素,使物理更容易。这真的是理想;它提供了一个更简单,更容易依据拓扑超导体的基本知识,探索“蒋介石评论。
方法允许精确控制样品厚度,和科学家们看着一系列3 - 10钛层,与5原子层/ TI层。团队的测量表明,邻近效应诱发超导在大部分州和TI的拓扑表面状态的电影。蒋介石强调,他们给我们提供了全新的视角看到超导配对的自旋极化的拓扑表面态。
“这项研究的结果是明确的。我们清楚地看到信号,”蒋介石总结。“我们调查了超导缺口作为钛膜厚度的函数,同时也作为温度的函数。结果很简单:消失的差距超过铌的转变温度。这一点很简单。它显示了物理工作。更有趣的是薄膜的厚度的依赖。不足为奇的是,我们看到了超导差距是提高钛膜厚度减少,但减少非常缓慢。这一观点提出了一个有趣的问题关于如何配对在膜表面引起的耦合接口。”
蒋介石与发展信用Eckstein巧妙的样品制备方法。它包括组装样品在相反的顺序,在祭祀氧化铝衬底,俗称矿产蓝宝石。科学家们能够控制钛晶体生长的特定数量的层,五个一组的每一个原子的厚度。然后一层多晶超导铌sputter-deposited TI的电影。样品然后翻转和牺牲层作为底物被引人注目的“乳沟销脱落。“层裂解正是在氧化钛和铝的接口。
Eckstein解释说,“倒装芯片的技术工作,因为层不强烈bonded-they就像一堆纸,哪里有栈的力量,但是你很容易撕开图层。在这里,我们有一个三角晶格的原子,这包five-these层紧密结合。接下来的五层之上,但弱连着前五。事实证明,在substrate-TI接口最薄弱的一环。裂解时,该方法给出了一个纯粹的表面,没有污染的空气接触。”
解理是在超高真空中进行,在一个高度敏感的仪器在东京大学固体物理研究所能够angle-resolved光电发射光谱(arp)的温度范围。
蒋介石承认,“超导特性发生在很小的能量它需要很高的能量分辨率和非常低的温度。这部分实验完成我们在东京大学的同事们,他们有仪器的灵敏度得到解决我们需要这种类型的研究。我们不能做这个没有国际合作。”
”这个新样品制备方法开辟了许多新的研究途径的奇异的物理和最终的可能有用applications-potentially甚至包括建设一个更好的超导体。样品的制备将允许使用范围广泛的其他和SCs。它也可能是有用的在电子设备的小型化和自旋电子计算,这将需要更少的能量在散热方面,”蒋介石总结道。
Eckstein补充说,“有很多兴奋。如果我们能做一个超导TI,理论预测告诉我们,我们可以找到一个新的元激发,这将使一个理想的拓扑量子比特,或量子位。我们没有,仍有许多事情要担心。但这将是一个量子位的量子力学波函数不太容易受到当地的扰动可能会导致移相,把计算。”
这些研究结果网上发布在《华尔街日报》2018年4月27日科学的进步。
这项研究是由美国能源部、美国国家科学基金会,德意志Forschungsgemeinschaft,日本的教育,文化,体育,科学和技术。给出的结论不一定是研究者和资助机构。