Ein Modellsystem topologischer Supraleitung, vermittelt durch skyrmionische Magnonen

Topologische Supraleiter sind supraleitende Materialien mit einzigartigen Eigenschaften, einschließlich des Auftretens sogenannter In-Gap-Majorana-Zustände. Diese gebundenen Zustände können als Qubits dienen, was topologische Supraleiter besonders vielversprechend für die Entwicklung von Quantencomputertechnologien macht.

Einige Physiker haben kürzlich das Potenzial zur Schaffung von Quantensystemen untersucht, die Supraleiter mit wirbelnden Konfigurationen atomarer magnetischer Dipole (Spins), bekannt als Quanten-Skyrmion-Kristalle, integrieren. Die meisten dieser Bemühungen schlugen vor, Quanten-Skyrmion-Kristalle zwischen Supraleiter einzufügen, um eine topologische Supraleitung zu erreichen.

Kristian Mæland und Asle Sudbø, zwei Forscher an der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie, haben kürzlich ein alternatives Modellsystem der topologischen Supraleitung vorgeschlagen, das keine supraleitenden Materialien enthält. Dieses theoretische Modell, eingeführt in Briefe zur körperlichen Überprüfungwürde stattdessen eine Sandwichstruktur aus einem Schwermetall, einem magnetischen Isolator und einem normalen Metall verwenden, wobei das Schwermetall einen Quanten-Skyrmion-Kristall im magnetischen Isolator induziert.

„Wir interessieren uns seit langem für niedrigdimensionale neuartige Arten von Quantenspinsystemen und gingen der Frage nach, wie Quantenspinfluktuationen in Quantenskyrmionkristallen normale metallische Zustände beeinflussen und möglicherweise zu Supraleitung ungewöhnlicher Art führen könnten, “ sagte Sudbø gegenüber Phys.org.

„Vorherige Arbeiten, die uns besonders inspiriert haben und auf denen wir aufbauen, sind die experimentelle Arbeit von Heinze et al über Realisierungen von Quanten-Skyrmion-Kristallen und zwei unserer eigenen Artikel über Quanten-Skyrmion-Kristalle.“

In ein 2011 veröffentlichtes Papierzeigten Stefan Heinze von der Universität Kiel und seine Kollegen von der Universität Hamburg, dass Skyrmion-Kristalle in realen physikalischen Systemen realisiert werden können. Inspiriert von der früheren Arbeit dieses Forschungsteams machten Sudbø und Mæland eine Reihe von Vorhersagen, die als Grundlage ihres neu vorgeschlagenen Modellsystems der topologischen Supraleitung dienen.

„Wir selbst haben diese Systeme nicht experimentell hergestellt, aber wir schlagen Materialien vor, die verwendet werden könnten, um solche Systeme herzustellen und ihre Eigenschaften zu untersuchen“, sagte Sudbø. „Wir haben speziell eine neue Methode zur Erzeugung topologischer Supraleitung untersucht, indem wir ein normales Metall mit einem sehr spezifischen Spinsystem sandwichartig angeordnet haben, bei dem die Spins Skyrmionen in einem wiederholten Muster bilden, einen Skyrmion-Kristall. Frühere Vorschläge zur Erzeugung topologischer Supraleitung schlugen vor, Skyrmion-Kristalle mit Supraleitern zu sandwichen Ansatz vermeidet die Notwendigkeit eines Supraleiters im Sandwich.“

Während sie ihr vorgeschlagenes Modellsystem nicht experimentell realisierten, versuchten Sudbø und Mæland, seine Eigenschaften durch eine Reihe von Berechnungen zu bestimmen. Insbesondere berechneten sie eine Eigenschaft des induzierten supraleitenden Zustands des Systems, den sogenannten supraleitenden Ordnungsparameter, und stellten fest, dass es eine nicht triviale Topologie hatte.

„Wir waren in der Lage, ein Modellsystem zu schaffen, in dem wir topologische Supraleitung in einer Heterostruktur erzeugen können, ohne a priori einen Supraleiter im Sandwich zu haben“, sagte Sudbø. „Unser System ist eine Sandwichstruktur aus einem normalen Metall und einem magnetischen Isolator, während frühere Vorschläge eine Sandwichstruktur aus magnetischen Isolatoren und anderen Supraleitern beinhalteten.“

In Zukunft könnten neue Studien versuchen, das von diesen Forschern vorgeschlagene Modellsystem in einem experimentellen Umfeld zu realisieren und seine Eigenschaften und sein Potenzial für Quantencomputeranwendungen weiter zu untersuchen. In der Zwischenzeit planen Sudbø und Mæland, andere mögliche Wege zum Erreichen unkonventioneller Supraleitung theoretisch zu erkunden.

„Allgemein werden wir unkonventionelle Supraleitung und Wege zur topologischen Supraleitung in Heterostrukturen verfolgen, die magnetische Isolatoren mit ungewöhnlichen und unkonventionellen Grundzuständen sowie neuartige Arten von Spin-Anregungen aus dem Grundzustand beinhalten“, sagte Sudbø.

© 2023 Science X Netzwerk