Topologische Materialien sind Materialien mit ungewöhnlichen Eigenschaften, die dadurch entstehen, dass ihre Wellenfunktion – das physikalische Gesetz, das die Elektronen leitet – verknotet oder verdreht ist. Dort, wo das topologische Material auf den umgebenden Raum trifft, muss sich die Wellenfunktion auflösen. Um diese abrupte Veränderung auszugleichen, müssen sich die Elektronen am Rand des Materials anders verhalten als im Hauptteil des Materials.
Dies führt zu dem, was Wissenschaftler Randzustände nennen. Wenn das topologische Material auch ein Supraleiter ist, sind sowohl das Volumen als auch der Rand supraleitend, verhalten sich aber unterschiedlich. Dies ist eine überraschende Situation, ähnlich wie zwei sich berührende Wasserbecken, die nicht verschmelzen.
Eine Studie In Naturphysik zeigt, dass die supraleitenden Randströme im topologischen Material Molybdäntellurid (MoTe2) große Veränderungen im „Klebstoff“ aushalten können, der die supraleitenden Elektronen gepaart hält. Dies ist wichtig, da die Paarung von Elektronen dafür sorgt, dass Elektrizität in einem Supraleiter frei fließt.
Topologische Supraleiter sind ein möglicher neuer Typ von Supraleitern, der theoretisch vorhergesagt wurde. Wenn sich dies bestätigt, werden sie die nächste Generation von Quantentechnologien ermöglichen, da sie spezielle Teilchen enthalten, sogenannte Anyonen.
Im Gegensatz zu Elektronen merken sich Anyonen ihre Position. Dadurch können sie so angeordnet werden, dass sie Quantencomputeroperationen auf eine Weise ausführen, die vor Fehlern schützt. Topologische Supraleiter führen auch spezielle Ströme, die an ihren Rändern fließen, sogenannte „Rand-Supraströme“. Forscher können diese Ströme nutzen, um Anyonen zu erzeugen und zu steuern. Dies wird Forschern helfen, Quantentechnologien und energieeffiziente Elektronik zu entwickeln.
Wenn MoTe2 supraleitend wird, oszilliert der Suprastrom (der maximale Strom, der eingespeist werden kann, ohne die Supraleitung zu zerstören) in einem Magnetfeld. Der Randsuprastrom oszilliert schneller als der im Volumen, was sich als charakteristische Modulation der Volumenreaktion zeigt.
Supraleitende Ströme werden von gepaarten Elektronen getragen und der Klebstoff, der die Paare zusammenhält, kann bei verschiedenen Materialien sehr unterschiedliche Stärken und Symmetrien aufweisen.
Um die Bindung (Paarpotential) in MoTe2 zu verstärken, haben Wissenschaftler Niob (Nb) darauf aufgebracht, da Nb ein stärkeres Paarpotential hat. Das Nb-Paarpotential überträgt sich auf MoTe2 und die Elektronen im letzteren spüren für eine Weile die stärkere Bindung.
Dieses Leck verstärkt die Suprastromschwingungen, offenbart aber auch eine Inkompatibilität zwischen den Nb- und MoTe2-Paarpotentialen. Die beiden können nicht nahtlos ineinander übergehen und die Wellenfunktion, die die Randelektronen leitet, wechselt zwischen dem Nb- und dem MoTe2-Paarpotential, je nachdem, welches Potential vorherrscht.
Die Wahl der Randelektronen spiegelt sich in den Schwingungen wider. Diese sind verrauscht, wenn sich das Randpaarpotential von dem des MoTe2-Vollmaterials unterscheidet, und nahezu rauschfrei, wenn beide gleich sind.
Diese Studie bestätigt nicht nur die Existenz von Randströmen, sondern zeigt auch, dass sie zur Überwachung des Verhaltens supraleitender Elektronen in topologischen Supraleitern verwendet werden können.
Weitere Informationen:
Stephan Kim et al., Rand-Suprastrom offenbart Konkurrenz zwischen Kondensaten in einem Weyl-Supraleiter, Naturphysik (2024). DOI: 10.1038/s41567-023-02316-9