Что-то странное происходит в материале платина-висмут-два (PtBi₂)
Новое исследование, проведённое учёными из Института материаловедения Общества Макса Планка в Дрездене и Центра передового опыта ct.qmat, демонстрирует, что, хотя PtBi₂ может выглядеть как типичный блестящий серый кристалл, электроны, движущиеся через него, ведут себя необычно.
В 2024 году исследовательская группа показала, что верхняя и нижняя поверхности материала обладают сверхпроводимостью, то есть электроны объединяются в пары и движутся без сопротивления.
Теперь учёные выяснили, что это объединение работает иначе, чем в любом другом сверхпроводнике, который мы видели ранее. По краям сверхпроводящих поверхностей находятся давно искомые частицы Майораны, которые могут быть использованы в качестве отказоустойчивых квантовых битов (кубитов) в квантовых компьютерах.
Результаты опубликованы в журнале Nature.
Необычная сверхпроводимость PtBi₂
Мы можем разбить странную сверхпроводимость PtBi₂ на три этапа:
1. Некоторые электроны ограничены верхней и нижней поверхностями материала. Это так называемое «топологическое» свойство PtBi₂, вызванное взаимодействием между электронами и аккуратно расположенными атомами в кристаллическом материале.
Топологические свойства устойчивы: они не могут измениться, если не изменить симметрию всего материала, либо изменив всю кристаллическую структуру, либо применив электромагнитное поле.
В PtBi₂ электроны, ограниченные верхней поверхностью, дополняются электронами, связанными с нижней поверхностью, независимо от того, сколько слоёв атомов лежит между этими поверхностями. И если вы разрежете кристалл пополам, новые верхняя и нижняя поверхности автоматически также будут содержать комплементарные электроны, ограниченные поверхностью.
2. Эти поверхностные электроны объединяются в пары при низких температурах, что позволяет им двигаться без какого-либо сопротивления. Остальные электроны не объединяются в пары и ведут себя как обычные электроны. Это делает PtBi₂ естественным сверхпроводящим сэндвичем с сверхпроводящими верхней и нижней поверхностями и нормальным металлическим внутренним слоем.
Топологическая природа поверхностных электронов делает PtBi₂ топологическим сверхпроводником. Есть лишь несколько других материалов-кандидатов, которым, как считается, присуща топологическая сверхпроводимость, но на сегодняшний день ни один из них не подтверждён убедительно последовательными или окончательными экспериментальными данными.
3. Новые измерения с уникальным высоким разрешением из лаборатории доктора Сергея Борисенко в Лейбницевском институте исследований твёрдого тела и материалов (IFW Dresden) показывают, что не все поверхностные электроны объединяются в пары одинаково. Примечательно, что поверхностные электроны, движущиеся по шести симметричным направлениям, решительно отказываются объединяться в пары. Эти направления отражают трёхкратную симметрию вращения того, как атомы расположены на поверхности материала.
В обычных сверхпроводниках все электроны объединяются в пары независимо от того, в каком направлении они движутся. Некоторые нетрадиционные сверхпроводники, такие как купратные материалы, известные тем, что становятся сверхпроводящими при более высоких температурах, имеют более ограниченное объединение с четырёхкратной симметрией вращения. PtBi₂ — первый сверхпроводник, демонстрирующий ограниченное объединение с шестикратной симметрией вращения.
«Мы никогда не видели этого раньше. PtBi₂ — не только топологический сверхпроводник, но и объединение электронов, которое приводит к этой сверхпроводимости, отличается от всех других сверхпроводников, которые мы знаем», — говорит Борисенко. «Мы пока не понимаем, как это объединение происходит».
Новое исследование также подтверждает, что PtBi₂ предлагает новый способ получения давно искомых частиц Майораны.
«Наши вычисления демонстрируют, что топологическая сверхпроводимость в PtBi₂ автоматически создаёт частицы Майораны, которые удерживаются вдоль краёв материала. На практике мы могли бы искусственно создать ступенчатые края в кристалле, чтобы создать столько майоранов, сколько захотим», — отмечает профессор Йерун ван ден Бринк, директор Института теоретической физики твёрдого тела IFW и главный исследователь Вюрцбургско-Дрезденского кластера передового опыта ct.qmat.
Пара частиц Майораны действует как один электрон, но по отдельности они ведут себя совсем по-другому. Эта концепция «расщеплённых электронов» лежит в основе топологических квантовых вычислений, целью которых является создание более стабильных кубитов. Разделение пар частиц Майораны защищает их от шума и ошибок.
Теперь, когда обнаружена уникальная сверхпроводимость PtBi₂ и связанные с ней частицы Майораны, следующим шагом является их контроль. Например, истончение материала изменит несверхпроводящее «наполнение сэндвича», потенциально превратив его из проводящего металла в изолятор.
Это также означает, что несверхпроводящие электроны не смогут мешать использованию майоранов в качестве кубитов. В качестве альтернативы, применение магнитного поля сдвинет уровни энергии электронов и может, например, привести к тому, что частицы Майораны переместятся из краёв в углы материала.
Электронные устройства будущего: за пределами заряда электрона
Традиционно электроника полагается на использование заряда электрона, но исследователи изучают возможность использования других его свойств. В исследовании, опубликованном в Nature Communications, учёные из Японии продемонстрировали, что звуковые волны в некоторых твёрдых телах могут генерировать орбитальные токи — поток орбитального углового момента электронов.
Их выводы закладывают основу для создания устройств нового поколения — «орбитронических», использующих существующие акустические технологии.
С момента открытия электричества технологические достижения во многом основывались на использовании заряда электрона, что является фундаментальным принципом большинства традиционных электронных устройств.
Теперь, когда традиционные электронные устройства приближаются к своим практическим пределам, учёные обращают внимание на манипулирование другими свойствами электрона. Например, использование спина электрона в спинтронике обещает низкоэнергетические вычисления за счёт использования спиновых токов для передачи информации.
Существует ещё одно неиспользованное свойство электронов — их орбитальный угловой момент. Это основа «орбитроники», нового направления исследований, целью которого является использование потока орбитального углового момента (орбитальных токов) в качестве нового носителя информации и для обеспечения функциональности устройств.
Несмотря на потенциал орбитроники, существует не так много практических и масштабируемых способов генерации и управления этими орбитальными токами, а механизмы их генерации остаются малоизученными. Могут ли звуковые волны стать ключом к их производству и управлению?
Чтобы ответить на этот вопрос, исследовательская группа из Японии изучила акустическую генерацию орбитальных токов.
Исследование проводилось под руководством доктора наук Мари Танигучи и профессора Казуя Андо из Университета Кейо, Япония. В их статье в Nature Communications рассматриваются два новых физических явления — акустический орбитальный эффект Холла и акустическая орбитальная накачка, — которые вместе закладывают основу для интеграции звуковых технологий с орбитальной физикой.
Эксперименты были сосредоточены на бислоях титана (Ti)/никеля (Ni), системе материалов, известной своей надёжной орбитальной реакцией. Команда изготовила устройства Ti/Ni на специальной подложке и использовала поверхностные акустические волны (SAW), звуковые волны, ограниченные поверхностью материала, для возбуждения его динамики решётки.
Использование Ti было ключевым; поскольку у него очень слабая спин-орбитальная связь, любой наблюдаемый сигнал можно было уверенно отнести к орбитальной степени свободы, а не к спиновым эффектам. Целью было выяснить, может ли механическая вибрация решётки передать свой угловой момент орбиталям электронов.
Исследователи успешно наблюдали генерацию орбитальных токов с помощью двух различных акустических механизмов.
Во-первых, они продемонстрировали акустическую орбитальную накачку, при которой акустический ферромагнитный резонанс, управляемый SAW (резонансная прецессия намагниченности), инжектировал орбитальный ток из слоя Ni в слой Ti.
Во-вторых, они подтвердили генерацию акустического орбитального эффекта Холла. Измеряя постоянное напряжение, генерируемое не резонансной SAW, они показали, что звуковая волна, распространяющаяся в одном направлении, генерировала орбитальный ток, текущий перпендикулярно ей. Это продемонстрировало, что динамика решётки вдоль поверхности материала является прямым и эффективным источником орбитального тока.
Благодаря систематическим измерениям и сравнению с контрольными образцами исследователи подтвердили, что наблюдаемый сигнал напряжения был значительно больше, чем всё, что можно было бы отнести к спин-холловскому эффекту. Это убедительно доказало доминирование орбитального механизма, подтвердив их вывод.
В совокупности эти результаты представляют собой ключевой концептуальный прорыв, как отмечает профессор Андо: «Поскольку орбитальный ток был открыт всего несколько лет назад, механизмы его генерации оставались в значительной степени неизученными. Признавая сильную связь между орбитальной степенью свободы электронов и кристаллической решёткой, мы исследовали и подтвердили возможность генерации орбитальных токов с помощью фононов — колебаний решётки».
Эта работа не только проясняет природу орбитальных токов, возникающих в твёрдых телах, но и закладывает основу для новых принципов проектирования будущих электронных устройств.
«Наше исследование впервые связывает SAW, которые уже широко используются в различных электронных устройствах, таких как датчики, сенсорные панели и компоненты фильтров, с орбитальными токами. Таким образом, наши результаты открывают дверь для новых разработок, которые объединят акустические технологии с орбитроникой», — говорит профессор Андо.
Будущие исследования будут сосредоточены на более детальном изучении микроскопических механизмов, лежащих в основе акустического орбитального эффекта Холла, и оптимизации архитектуры устройств для более надёжного и эффективного генерирования орбитальных токов. Если повезёт, это ускорит переход орбитроники из чисто теоретической концепции в технологии нового поколения.