Wandermagnetismus und Supraleitung in exotischen 2D-Metallen für Quantengeräte der nächsten Generation

Der Quantum Systems Accelerator (QSA) leistet Pionierarbeit bei der Entwicklung und Mitgestaltung der nächsten Generation programmierbarer Quantengeräte. Ein interdisziplinäres Team aus Wissenschaftlern von QSA-Institutionen, dem Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) und der University of California, Berkeley (UC Berkeley), führte in Zusammenarbeit mit dem Los Alamos National Laboratory eine Reihe von Experimenten mit einem neuen Typ von geschichtetem 2D durch Metall, um Verbindungen im elektronischen Verhalten zu finden, die möglicherweise für die Herstellung komplexer supraleitender Quantenprozessoren nützlich sein könnten.

Die Forschung mit diesem neuen Übergangsmetalldichalkogenid (TMD) nutzt Expertenteams im Berkeley Lab, die in verschiedenen Bereichen zusammenarbeiten und gemeinsam entwerfen, während gleichzeitig die modernsten nationalen Fähigkeiten und Instrumente der Advanced Light Source and Molecular Foundry genutzt werden. Körperliche Untersuchung B veröffentlichte die experimentellen Ergebnisse im Dezember 2022.

Neuartige Experimente für ein tieferes Verständnis der Physik neuer Materialien

Die Suche nach neuen supraleitenden 2D-Materialien kann Hinweise auf viele der Herstellungs- und Materialherausforderungen supraleitender Quantenprozessoren liefern, die derzeit konventionelle Materialien wie Aluminium, Niob und Silizium verwenden.

TMDs sind exotische Metalle, die auf natürliche Weise zu sehr dünnen Schichten mit einer genau definierten Kristallstruktur verarbeitet werden können und sich ideal für Experimente und Geräte eignen. Sie weisen aufgrund der Wechselwirkungen ihrer Elektronen einzigartige physikalische Eigenschaften auf.

Die Elektronen können auf wenige Atome lokalisiert werden, die stärker miteinander interagieren. Die dicht gepackten, eng wechselwirkenden Elektronen können einzigartige Eigenschaften und Verhaltensweisen wie Supraleitung und Wandermagnetismus auslösen. Supraleitung ermöglicht die Bewegung einer elektrischen Ladung durch das Metall mit geringem oder gar keinem Widerstand. Wandermagnetismus tritt auf, wenn Elektronen Magnetismus von einem Atom auf ein anderes übertragen, anstatt an einer festen Position lokalisiert zu sein.

Eine wichtige Erkenntnis in der wissenschaftlichen Literatur ist, dass Materialien im Allgemeinen Supraleiter oder Magnete sind, aber nicht beides. Die Phase des wandernden Magnetismus liegt jedoch nahe am Übergang zur Supraleitung. Daher ist die Erkennung starker magnetischer Eigenschaften in der Kristallstruktur eines TMD ein guter Ausgangspunkt für die Suche nach neuen Supraleitern. Das Ausmaß, in dem das Zusammenspiel von wanderndem Magnetismus und Supraleitung in TMDs auftritt, ist jedoch nicht genau verstanden.

NiTa4Se8 ist eine neue Klasse interkalierter TMD mit stark korrelierten Elektronen, die sich in zweidimensionalen Ebenen mit einer ferromagnetischen (Nickel-)Schicht bewegen, wodurch die Wechselwirkung oder Korrelation zwischen Elektronen stärker wird. An der Versuchsreihe beteiligte QSA-Forscher charakterisierten die elektronischen Leitungseigenschaften – Transporteigenschaften – in NiTa4Se8 und beobachteten dabei sowohl wandernden Magnetismus als auch Supraleitung.

„Ich finde es sehr inspirierend, dass physikalische Gesetze oft mit dem Verständnis von Symmetrien zusammenhängen. Wenn ich also neue Materialien mit einzigartigen inneren Symmetrien untersuche, sei es die Konfiguration verschiedener Atome oder ihre lokale oder globale Umgebung, weiß ich das.“ wird zu einem anderen Satz von Eigenschaften für das System führen“, sagte James Analytis, außerordentlicher Professor an der UC Berkeley und Fakultätswissenschaftler am Berkeley Lab, der experimentelle Leiter der Arbeit.

Um die Eigenschaften der Supraleitung und des Wandermagnetismus zu untersuchen, mussten die Forscher die inneren Symmetrien des Materials verstehen. Analytis und das Team synthetisierten die verschiedenen Symmetriekonfigurationen in NiTa4Se8 und manipulierten dabei das System aus Atomen und Elektronen im geschichteten kristallinen Metall durch verschiedene chemische Prozesse und Techniken.

Die Versuchsreihe ermöglichte es den Forschern, das Verhalten von Elektronen in NiTa4Se8 zu untersuchen, indem sie sie im Labor stapelten, manipulierten und kontrollierten.

Fortschrittliche Werkzeuge und Fachwissen in den DOE National Facilities im Berkeley Lab

Für Sinéad Griffin von der Abteilung Materialwissenschaften und Molecular Foundry, einer der Mitautoren des Papiers und Forschungsleiter der QSA-Materialgruppe, hat die Entdeckung neuer Supraleiter höchste Priorität für die supraleitenden Quantentechnologien der nächsten Generation. Griffin entwickelt theoretische Modelle und Berechnungen, die Materialeigenschaften vorhersagen, um die Herstellung und Charakterisierung im Labor zu steuern.

„Ich bin motiviert, eine neue Art von Physik oder ein neues System zu finden, das noch niemand zuvor gesehen hat. Daher ist die Möglichkeit, diesen Spielplatz an Einrichtungen und Instrumenten im Berkeley Lab zu haben und gleichzeitig nah an dem Team zu sein, das die Experimente und Messungen durchführt, von entscheidender Bedeutung. Wir.“ „Wir sind nicht durch das, was verfügbar ist, begrenzt. Wir sind eher durch unsere Vorstellungskraft eingeschränkt“, sagte Griffin.

Das Team nutzte die hochmodernen Photoelektronenspektroskopie-Fähigkeiten des Berkeley Lab am ALS, das Photonen nutzt, um mit Elektronen zu interagieren, um zweidimensionale Materialien und Oberflächen schneller zu charakterisieren, einschließlich winkelaufgelöster Photoemissionsspektroskopie (ARPES) und energiedispersiver Röntgenspektroskopie ( EDS oder EDX) sowie Pulverröntgenbeugung zur Simulation, Charakterisierung und Untersuchung der komplexen Kristallstruktur von NiTa4Se8 im feinsten Maßstab.

Eli Rotenberg, wissenschaftlicher Mitarbeiter am ALS- und QSA-Forscher, ist fasziniert von Quantenmaterialien mit exotischen physikalischen Eigenschaften aufgrund der Wechselwirkungen ihrer Elektronen. Als Experte für Photoelektronenspektroskopie führte Rotenberg mit höchster Präzision detaillierte Messungen des Elektronenverhaltens und der sogenannten Fermi-Oberfläche durch, einem wichtigen Energieniveau in der Physik der kondensierten Materie für die Supraleitung.

„Kristalle sind wie ein Glas Wasser, das bis zu einem Punkt gefüllt und darüber leer ist, wo Elektronen in der Nähe der Oberfläche an der elektrischen Leitung beteiligt sind. Die interessante Physik dieser kristallinen Materialien liegt an der Schnittstelle zwischen besetzten und unbesetzten Zuständen. Teilchen können von dort aus angeregt werden.“ „Besetzt auf die unbesetzte Seite, um sich bewegende Wellen zu bilden, die Energieinformationen übertragen“, erklärte Rotenberg.

Co-Design beschleunigt grundlegende Entdeckungen

Die Komplexität der neuartigen Materialien, die untersucht werden, um bessere Quantengeräte zu bauen, und die Vielfalt der Messungen, um sie zu verstehen, erfordern hochmoderne Instrumente und Werkzeuge, bei denen jede Technik spezifisch für ein System ist. Materialeigenschaften ändern sich häufig oder es treten Defekte auf, wenn sie in Quantengeräte eingebaut werden.

„Man stellt fast die umgekehrte Frage, wenn man fragt: Wie finde ich diese neue Art von Phänomen, das noch niemand gefunden hat, oder wie finde ich dieses Phänomen in diesem System oder Material? Mithilfe der Theorie kann ich versuchen, ein Material aus den grundlegenden Schlüsselbestandteilen zu entwerfen: „, sagte Griffin.

NiTa4Se8 ist unter den magnetischen TMDs wahrscheinlich nicht einzigartig. Daher kam das Team zu dem Schluss, dass die Suche nach korreliertem Wandermagnetismus und unkonventioneller Supraleitung in 2D-Materialien das Verständnis der Materialien verfeinern kann, die möglicherweise zur Herstellung immer komplexerer Quantenprozessoren verwendet werden könnten.

Forscher müssen jedoch weiterhin die grundlegenden Ebenen dieser Art von 2D-Materialien besser verstehen. QSA erforscht weiterhin Lösungen für viele Fertigungsherausforderungen, die dazu beitragen werden, die unvollkommenen Hardwaresysteme von heute mit solchen zu verbinden, die zu wirkungsvoller Wissenschaft fähig sind.

„Ein einziges Team mit einer einzigartigen Vision, wie bei QSA, das über alle verfügbaren Werkzeuge verfügt, beschleunigt den Prozess von der Grundlagenforschung zu Technologien. Oft muss man erforschen, welche Technik oder Synthesefähigkeiten für verschiedene Materialien besser geeignet sind“, schloss Analytis.