Группа учёных из МФТИ, Университета Твенте (нидерл. Universiteit Twente) и Амстердамского университета (нидерл. Universiteit van Amsterdam, UvA) обнаружила способность одного из топологических материалов — непроводящего висмута, легированного сурьмой, — служить сверхпроводником внутри своего объёма. Топологические материалы являются перспективными элементами будущих квантовых устройств, благодаря защищённости своих проводящих свойств. Однако до сих пор не удавалось обнаружить такое поведение этих материалов не в поверхностном слое, а в объёме. Обнаружение такой проводимости может в перспективе значительно увеличить надёжность квантовых устройств. Работа опубликована в Nature Materials.
«Полученный нами результат является, по мнению научного сообщества, первым шагом к реализации нового типа квантовых алгоритмов и должен ускорить проникновение топологических квантовых вычислений в технологии», — сказал соавтор работы, заведующий лабораторией топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ Александр Голубов.
Топологические изоляторы
Существует группа материалов со сложной структурой энергетических зон в объёме. Благодаря этой структуре на их поверхности возникает проводящее состояние с жёсткой зависимостью возможного направления движения электрона от направления его спина. Такие материалы называются топологически защищёнными. Обычно электроны, двигаясь в каком-либо веществе, рассеиваются на примесях, поскольку не существует абсолютно чистых материалов. В случае топологически защищённых материалов такой процесс будет невозможен или, как говорят физики, запрещён, ведь, чтобы перевернуть направление движения, нужно будет перевернуть спин. А спин при отсутствии каких-то магнитных примесей или магнитных полей не будет переворачиваться.
Эта группа материалов называется также топологическими изоляторами. Изоляторами — потому что чаще всего в объёме эти материалы работают как изоляторы, то есть не проводят электрический ток. Но проводят на поверхности. Топологическими — потому что именно их внутренняя топология делает поверхность проводящей.
«Это явление, наверное, более фундаментально, чем закон сохранения энергии и импульса. Потому что сохранение энергии в открытой системе работает с точностью до какого-то взаимодействия: поглотили фотон — у нас энергия изменилась. Импульс сохраняется опять же с точностью до рассеяния на примеси или на поверхности кристалла. Топологические изоляторы гораздо более устойчивы. Мы фактически отнимаем одну степень свободы у электронов. Можно менять электронную структуру внутри кристалла, но проводящее состояние на поверхности будет устойчивым, и его никак нельзя разрушить. Оно защищено и от рассеяния на примесях на поверхности», — поясняет Александр Голубов.
Многообещающе выглядит применение таких материалов в квантовых вычислениях. В этой сфере есть одна проблема — квантовое состояние очень легко разрушить. Квантовая частица живёт 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, по общему мнению, является самой стабильной. Первые материалы с такими свойствами были получены несколько лет назад. Это полупроводники разного типа: висмут-селен, висмут-теллур и другие.
Эксперимент с дираковским полуметаллом
Новое слово в области создания топологически защищённых материалов — так называемые дираковские полуметаллы. Они характеризуются тем, что защищённые состояния могут быть даже в объёме вещества. Полуметаллами они называются, потому что занимают по электрическим свойствам промежуточное положение между металлами и полупроводниками.
Этот новый класс материалов ещё более интересен для практических приложений, потому что поверхность подвержена любым химическим воздействиям: могут образоваться дефекты, которые всё-таки нарушат эту топологическую защиту. В случае объёмных топологически защищённых состояний разрушить их куда сложнее. Именно этот класс материалов на примере висмута, легированного сурьмой, изучался в рамках проделанного эксперимента. Было показано, что, действительно, топологическая защищённость присутствует в объёме плёнки толщиной несколько сотен нанометров.
Учёные расположили на плёнке из висмут-сурьмы контакты из сверхпроводящего ниобия. По сверхпроводящим электродам из ниобия в заданном направлении пропускался 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 [TBS_POPOVER placement=»top» title=»Диссипация энергии» content=»(лат. dissipatio «рассеяние») — переход части энергии упорядоченных процессов (кинетической энергии движущегося тела, энергии электрического тока и т. п.) в энергию неупорядоченных процессов, в конечном счёте — в теплоту. Бездиссипативными называют системы, в которых такого перехода не происходит.» style=»border: 1px solid #ddd; padding: 3px;»]бездиссипативный[/TBS_POPOVER], или джозефсоновский, ток, который будет переноситься куперовскими парами электронов — носителями сверхпроводящего тока.
4π-периодичность тока
Все сверхпроводники характеризуются макроскопической фазой. Текущий через несверхпроводящий материал джозефсоновский ток периодически зависит от разности фаз двух сверхпроводников. В квантовой механике всё 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 Александр Голубов.
Обнаружение 4π-периодичности текущего через образец тока является прямым доказательством наличия топологической защищённости в объёме исследуемого материала.