Stanen ist ein topologischer Isolator, der aus Atomen besteht, die typischerweise in einem ähnlichen Muster wie im Inneren von Graphen angeordnet sind. Stanene-Filme haben sich als vielversprechend für die Realisierung zahlreicher faszinierender physikalischer Phasen erwiesen, einschließlich der Quantenspin-Hall-Phase und der intrinsischen Supraleitung.
Einige theoretische Studien legten auch nahe, dass diese Filme topologische Supraleitung beherbergen könnten, ein Zustand, der für die Entwicklung der Quantencomputertechnologie besonders wertvoll ist. Bisher wurden topologische Randzustände in Stanen jedoch nicht zuverlässig und konsistent in experimentellen Umgebungen beobachtet.
Forscher der Shanghai Jiao Tong University, der University of Science and Technology of China, der Henan University, der Zhengzhou University und anderer Institute in China haben kürzlich die Koexistenz von topologischen Randzuständen und Supraleitung in ein- bis fünfschichtigen Stanenfilmen demonstriert, die auf dem Bi platziert wurden (111) Substrat. Ihre Beobachtungen, skizziert in einem Artikel, der in veröffentlicht wurde Briefe zur körperlichen Überprüfungkönnte wichtige Auswirkungen auf die Entwicklung von Stanen-basierten Quantengeräten haben.
„Die vorliegende Arbeit ist ein jüngster Schritt nach vorne in unserer systematischen Forschung nach unserer früheren Arbeit aus dem Jahr 2015, die den ersten Bericht über das erfolgreiche Wachstum einer monoatomaren Schicht aus Stanen (ML) darstellte“, sagte Jinfeng Jia, einer der Forscher, die dies durchgeführt haben die Studie, sagte Phys.org. „Die Herausforderung bestand damals darin, dass das Bi2Te3-Substrat der Stanenschicht eine Druckspannung auferlegt, was zu einer ungünstigen Überlappung zwischen seinem Leitungs- und seinem Valenzband führt.“
Aufbauend auf früheren Erkenntnissen haben Jias Team und andere Forschungsgruppen weltweit versucht, topologische Supraleitung in Stanen zu realisieren, das auf verschiedenen Substraten mit größeren Gittereinschränkungen als Bi2Te3 platziert wurde, da diese die nicht triviale Topologie von Stanen beibehalten könnten. Doch bisher war es nur wenigen gelungen.
Um effiziente Quantencomputertechnologien auf der Grundlage von Stanenfilmen aufzubauen, müssen Physiker zunächst ein Substrat identifizieren, das zum Züchten von stabilem Stanen mit nicht trivialen topologischen Eigenschaften und intrinsischer Supraleitfähigkeit verwendet werden kann. Genau das wollen Jia und seine Kollegen in ihrer jüngsten Arbeit tun.
„Das ultimative Ziel unserer jüngsten Arbeit ist es, den topologischen Supraleiter in Stanen zu erreichen, einem Materialsystem aus einem einzigen Element“, sagte Jia. „Ein solches wünschenswertes Substrat wurde durch unsere neuere theoretische Studie identifiziert, die auf das Bi(111)-Substrat hinweist.“
In ihren Experimenten sammelten Jia und seine Kollegen Messungen mit Rastertunnelmikroskopie und Spektroskopie bei einer ultraniedrigen Temperatur von 400 mK. Diese Methoden ermöglichten es ihnen, lokalisierte topologische Randzustände auf ihren Stanenproben im Nanometerbereich zu erkennen und die supraleitende Paarung im Material zu bestätigen.
„Unsere First-Principle-Berechnungen bestätigten weiter die nicht triviale Topologie dieser Filme und die entscheidende Bedeutung der signifikanten Spin-Orbital-Kopplung, die durch das Bi(111)-Substrat bereitgestellt wird“, erklärte Jia. „Wir haben auch gezeigt, dass Wasserstoff unverzichtbar ist, um den Wachstumsmodus so zu ändern, dass er glatt und Schicht für Schicht wächst.“
Die jüngste Arbeit dieses Forscherteams zeigt schlüssig die Koexistenz von topologischen Randzuständen und Supraleitung in Stanenfilmen. Im Gegensatz zu anderen früheren Realisierungen dieser Zustände sind diese beiden Eigenschaften in ihrem Beispiel in einem Einzelelementsystem statt in einer komplizierten Heterostruktur enthalten.
Die von Jia und seinen Kollegen beobachteten kurzen bilateralen Eindringlängen der Randzustände sind besonders günstig für die Entwicklung von verlustarmen leitenden Bauelementen mit dichten Randkanälen. Darüber hinaus könnte die von den Forschern identifizierte Stanenfilmplattform die Entwicklung topologischer Quantencomputergeräte auf der Grundlage von weniger Stanenschichten ermöglichen.
„Für das Stanen/Bi (111)-System besteht der nächste Schritt darin, die Paarungssymmetrie seiner Supraleitung zu identifizieren und Majorana-Nullmoden zu realisieren, indem Grenzen für den Randkanal mit geschlossener Schleife erstellt werden“, fügte Jia hinzu. „Das langfristige Ziel unserer Gruppe ist es, die Flechtoperation der Majorana-Modi zu realisieren und sogar in das topologische Quantencomputing vorzudringen.“
Chenxiao Zhao et al, Koexistenz von robusten Randzuständen und Supraleitung in Stanen mit wenigen Schichten, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.206802
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