Небольшой, но важный шаг к этой цели был достигнут благодаря международному сотрудничеству исследователей из китайского Университета Цинхуа и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (DOE), работающих в Advanced Light Source (ALS).Используя лучи ультрафиолетового света в ALS, национальном пользовательском объекте DOE для синхротронного излучения, коллаборация сообщила о первой демонстрации высокотемпературной сверхпроводимости на поверхности топологического изолятора — уникального класса передовых материалов с электроизоляционными свойствами. внутри, но проводящий на поверхности.
Создание высокотемпературной сверхпроводимости на поверхности топологического изолятора открывает дверь к созданию предпосылки для отказоустойчивых квантовых вычислений — таинственной квазичастицы, известной как «нулевая мода Майораны».«Мы показали, что, сопрягая топологический изолятор, селенид висмута, с высокотемпературным сверхпроводником, BSCCO (оксид висмута, стронция, кальция, меди), можно вызвать сверхпроводимость в топологическом поверхностном состоянии», — говорит Алексей Федоров, научный сотрудник компании Канал ALS 12.0.1, где была подтверждена наведенная высокотемпературная сверхпроводимость гетероструктуры топологического изолятора. «Это первая заявленная демонстрация индуцированной высокотемпературной сверхпроводимости в топологическом поверхностном состоянии».Результаты этого исследования представлены в журнале Nature Physics в статье, озаглавленной «Полностью запрещенные топологические поверхностные состояния в Bi2Se3, индуцированные d-волновым высокотемпературным сверхпроводником».
Авторы-корреспонденты — Шуюнь Чжоу и Си Чен из Университета Цинхуа в Пекине, Китай. Ведущими авторами являются Эрин Ван и Хао Дин, также работающие в Университете Цинхуа. Ван в настоящее время является докторантом ALS по месту жительства.
При всем своем безграничном потенциале квантовые вычисления сталкиваются с серьезным недостатком. Бит квантовых данных или «кубит», используемый для обработки и хранения информации, хрупок и легко нарушается электронами и другими элементами окружающей среды. Использование топологических изоляторов считается одним из многообещающих подходов к решению этой проблемы «декогеренции», поскольку кубиты в топологическом квантовом компьютере должны быть сделаны из нулевых мод Майораны, которые, естественно, не подвержены декогеренции. Информация, обрабатываемая и хранимая в таких топологических кубитах, всегда сохраняется.
Хотя коллаборация ALS еще не определила нулевую моду Майорана в своих гетероструктурах селенид висмута / BSCCO, они считают, что их материал является благодатной почвой для этого.«Наши исследования выявляют большую сверхпроводящую щель спаривания на топологических поверхностных состояниях тонких пленок топологического изолятора селенида висмута при выращивании на BSCCO», — говорит Федоров. «Это говорит о том, что, вероятно, существуют нулевые моды Майораны, связанные с магнитными вихрями в этом материале, но нам придется провести другие типы измерений, чтобы найти это».Высококачественная топологическая тонкопленочная гетероструктура селенида висмута / BSCCO была создана в Университете Цинхуа в лаборатории Си Чена и Ци-Кун Сюэ с использованием молекулярно-лучевой эпитаксии.«Наше исследование стало возможным благодаря высококачественной топологической изолирующей пленочной гетероструктуре, которую удалось вырастить группам Чэнь и Сюэ», — говорит Чжоу, которая провела большую часть своих исследований в ALS перед тем, как вернуться в Китай. «Селенид висмута и керамика BSSCO имеют очень разные кристаллические структуры и симметрии, что сделало выращивание такой гетероструктуры особенно сложной задачей».
Как говорит Чен: «Тщательно контролируя кинетику роста с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии, нам удалось вырастить топологическую изоляционную пленку контролируемой толщины на свежесколотой поверхности BSCCO. Это обеспечило более чистый и контролируемый интерфейс, а также открыло возможности для поверхности. чувствительные измерения ".Материал селенида висмута / BSCCO был доставлен в ALS для изучения электронных состояний на его поверхности с использованием метода, известного как ARPES, для фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением.
В ARPES луч рентгеновских фотонов, падающий на поверхность материала, вызывает фотоэмиссию электронов. Затем измеряется кинетическая энергия этих фотоэлектронов и углы, под которыми они выбрасываются, для получения электронного спектра.«Предыдущая работа над топологическими изоляторами показала, что сверхпроводимость составляет всего несколько градусов Кельвина с зазором около одного миллиэлектронвольт», — говорит Федоров. «Такой малый энергетический масштаб и сверхнизкая температура делают особенно трудным экспериментальную реализацию майорановских нулевых мод и отличить эти моды от других состояний. Используя ARPES, мы демонстрируем свидетельства существования сверхпроводящей щели на поверхности нашего материала вплоть до температура перехода BSCCO.
Поскольку зазор и температура перехода в нашей гетероструктуре отражают увеличение почти на порядок по сравнению с предыдущей работой, мы считаем, что наша система лучше для поиска нулевых мод Майорана ».Это исследование было в первую очередь поддержано Национальным фондом естественных наук Китая.
