De zoektocht naar Majorana-fermionen, deeltjes die hun eigen antideeltjes zijn, in topologische supergeleiders is tegenwoordig van het grootste belang in de fysica van de gecondenseerde materie. Onlangs, een onderzoeksteam onder leiding van professor Qi-Kun Xue van de Tsinghua University in China heeft experimenteel bewijs gerapporteerd van topologische supergeleiding nabij het oppervlak van epitaxiale β-Bi2Pd-films, en mogelijke Majorana-nulmodi bij magnetische wervels.

Een topologische supergeleider is supergeleidend in de bulk zoals andere supergeleiders, terwijl op de grens / het oppervlak, het herbergt de lang gezochte Majorana-fermionen. Dergelijke ongebruikelijke deeltjes gehoorzamen aan niet-Abeliaanse vlechtstatistieken en hebben potentieel voor fouttolerante kwantumcomputers, die in theorie efficiënter kan werken dan de huidige computers. Een handvol topologische supergeleiders is tot nu toe voorgesteld in topologische isolatoren of andere systemen met sterke spin-orbitale koppeling wanneer ze zijn gekoppeld aan een supergeleider of door chemische dotering in supergeleidende toestanden worden gedreven. Echter, Er is weinig aandacht besteed aan het zoeken naar topologisch niet-triviale bandstructuur in klassieke s-golf supergeleiders.

In 1957 bleek tetragonaal β-Bi2Pd supergeleidend te zijn onder 5,4 K. hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie heeft onthuld dat topologisch beschermde oppervlaktebanden het Fermi-niveau van β-Bi2Pd overschrijden. De twee belangrijkste criteria voor het realiseren van topologische supergeleiding bestaan ​​binnen deze uit één component bestaande verbinding. Daaropvolgende experimentele zoekopdrachten naar de begraven topologische supergeleiding in β-Bi2Pd vielen allemaal flauw. Echter, de onderzoekers van Tsinghua University rapporteren nu topologisch niet-triviale supergeleidende toestanden in β-Bi2Pd.

"We zijn gemotiveerd om te ontrafelen waarom de topologische supergeleiding niet werd waargenomen in alle eerdere studies van β-Bi2Pd-kristallen, het is nu bekend dat het afstemmen van het chemische potentieel om de topologische oppervlaktetoestanden te isoleren van bulkbanden nabij het Fermi-niveau de sleutel is om dergelijke topologisch niet-triviale supergeleidende toestanden te observeren, " zei Yanfeng Lv, de eerste auteur van deze studie, is nu een postdoctoraal onderzoeker bij het Texas Center for Superconductivity, Universiteit van Houston.

Gepubliceerd in het tijdschrift van Wetenschapsbulletin , de studie maakte gebruik van een ultramoderne moleculaire bundelepitaxietechniek onder ultrahoog vacuümomstandigheden om hoogwaardige β-Bi2Pd-dunne films op SrTiO3-substraten te maken, die vervolgens in situ werden overgebracht naar een cryogene scanning tunneling microscopiekamer. Het tunnelingspectrum onthulde een uitgesproken en onzuiverheidsbestendige supergeleidende opening op het oppervlak, die veel groter lijkt dan de bulk als gevolg van Dirac-fermion verbeterde pariteitsmenging van oppervlaktepaarpotentieel. De directe visualisatie van de supergeleidende opening op de topologische oppervlaktetoestanden, evenals de verwachte variatie met het Fermi-niveau, onthult overtuigend β-Bi2Pd als een veelbelovende kandidaat voor topologische supergeleider. Opvallende nul-bias geleidingspieken, waarschijnlijk van Majorana-nulmodi die worden ondersteund door dergelijke supergeleidende toestanden, werden geïdentificeerd aan het einde van magnetische vortexlijnen.

"Dit onderzoek levert overtuigend bewijs van topologische supergeleiding op β-Bi2Pd en de signatuur van Majorana-nulmodi bij wervels, " zeiden de onderzoekers, "en wat nog belangrijker is, wijst op een nieuwe weg voor het zoeken naar topologische koppelingstoestanden op gebruikelijke supergeleiders die een topologisch niet-triviale bandstructuur kunnen vertonen door de engineering van Fermi-niveau."