Dankzij een baanbrekende monstervoorbereidingstechniek hebben onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign en de Universiteit van Tokio de meest gecontroleerde en gevoelige studie tot nu toe kunnen uitvoeren van een topologische isolator (TI) die nauw is gekoppeld aan een supergeleider (SC). De wetenschappers observeerden het supergeleidende nabijheidseffect - geïnduceerde supergeleiding in de TI vanwege de nabijheid van de SC - en maten de relatie met de temperatuur en de dikte van de TI.

TI's met geïnduceerde supergeleiding zijn van het grootste belang voor natuurkundigen omdat ze het potentieel hebben om exotische fysieke verschijnselen te hosten, inclusief het ongrijpbare Majorana-fermion - een elementair deeltje waarvan wordt aangenomen dat het zijn eigen antideeltje is - en dat supersymmetrie vertoont - een fenomeen dat verder gaat dan het standaardmodel en dat licht zou werpen op veel openstaande problemen in de natuurkunde. Supergeleidende TI's zijn ook veelbelovend voor technologische toepassingen, inclusief topologische kwantumberekening en spintronica.

Natuurlijk voorkomende topologische supergeleiders zijn zeldzaam, en degenen die zijn onderzocht, hebben extreem kleine supergeleidende openingen en zeer lage overgangstemperaturen vertoond, het beperken van hun bruikbaarheid voor het blootleggen van de interessante fysieke eigenschappen en gedragingen die zijn getheoretiseerd.

TI's zijn gebruikt in de engineering van supergeleidende topologische supergeleiders (TI/SC), door TI's te laten groeien op een supergeleidend substraat. Sinds hun experimentele ontdekking in 2007, TI's hebben gecondenseerde materie-fysici geïntrigeerd, en een stortvloed van theoretisch en experimenteel onderzoek dat over de hele wereld plaatsvindt, heeft de kwantummechanische eigenschappen van deze buitengewone klasse materialen onderzocht. Deze 2D- en 3D-materialen zijn isolerend in hun bulk, maar geleiden elektriciteit aan hun randen of buitenoppervlakken via speciale elektronische oppervlaktetoestanden die topologisch beschermd zijn, wat betekent dat ze niet gemakkelijk kunnen worden vernietigd door onzuiverheden of onvolkomenheden in het materiaal.

Maar het ontwikkelen van dergelijke TI/SC-systemen via het kweken van dunne TI-films op supergeleidende substraten is ook een uitdaging gebleken, gezien een aantal obstakels, inclusief roosterstructuur mismatch, chemische reacties en structurele defecten aan het grensvlak, en andere tot nu toe slecht begrepen factoren.

Nutsvoorzieningen, een nieuwe techniek voor het kweken van monsters, ontwikkeld aan de U. of I., heeft deze obstakels overwonnen. Ontwikkeld door natuurkundeprofessor James Eckstein in samenwerking met natuurkundeprofessor Tai-Chang Chiang, de nieuwe "flip-chip" TI/SC-monstergroeitechniek stelde de wetenschappers in staat om gelaagde dunne films van het goed bestudeerde TI-bismutselenide te produceren bovenop het prototypische SC-niobium - ondanks hun onverenigbare kristallijne roosterstructuren en de zeer reactieve aard van niobium.

Deze twee materialen samen zijn ideaal voor het onderzoeken van fundamentele aspecten van de TI/SC-fysica, volgens Chiang:"Dit is misschien wel het eenvoudigste voorbeeld van een TI/SC in termen van de elektronische en chemische structuren. En de SC die we gebruikten heeft de hoogste overgangstemperatuur van alle elementen in het periodiek systeem, wat de fysica toegankelijker maakt. Dit is echt ideaal; het biedt een eenvoudiger, meer toegankelijke basis voor het verkennen van de basisprincipes van topologische supergeleiding, ’ zegt Chiang.

De methode zorgt voor een zeer nauwkeurige controle over de monsterdikte, en de wetenschappers keken naar een reeks van 3 tot 10 TI-lagen, met 5 atomaire lagen per TI-laag. De metingen van het team toonden aan dat het nabijheidseffect supergeleiding induceert in zowel de bulktoestanden als de topologische oppervlaktetoestanden van de TI-films. Chiang benadrukt, wat ze zagen, geeft nieuwe inzichten in supergeleidende paring van de spin-gepolariseerde topologische oppervlaktetoestanden.

"De resultaten van dit onderzoek zijn eenduidig. We zien het signaal duidelijk, Chiang vat het samen. "We onderzochten de supergeleidende kloof als een functie van de TI-filmdikte en ook als een functie van de temperatuur. De resultaten zijn vrij eenvoudig:de opening verdwijnt naarmate je boven de overgangstemperatuur van niobium komt. Dat is goed - het is eenvoudig. Het laat zien hoe de natuurkunde werkt. Interessanter is de afhankelijkheid van de dikte van de film. Niet verrassend, we zien dat de supergeleidende opening kleiner wordt voor toenemende TI-filmdikte, maar de reductie gaat verrassend langzaam. Deze observatie roept een intrigerende vraag op over hoe de koppeling aan het filmoppervlak wordt veroorzaakt door koppeling aan het grensvlak."

Chiang crediteert Eckstein voor het ontwikkelen van de ingenieuze monstervoorbereidingsmethode. Het gaat om het monteren van het monster in omgekeerde volgorde, bovenop een opofferingssubstraat van aluminiumoxide, algemeen bekend als de minerale saffier. De wetenschappers zijn in staat om het specifieke aantal lagen TI-kristallen te controleren, elk van vijfvoudige atomaire dikte. Vervolgens wordt een polykristallijne supergeleidende laag niobium door sputteren op de TI-film afgezet. Het monster wordt vervolgens omgedraaid en de opofferingslaag die als substraat had gediend, wordt losgemaakt door op een "splijtpin" te slaan. De lagen worden precies op het grensvlak van het TI en aluminiumoxide gesplitst.

Eckstein legt uit, "De 'flip-chip'-techniek werkt omdat de lagen niet sterk aan elkaar gehecht zijn - ze zijn als een stapel papier, waar kracht in de stapel zit, maar je kunt de lagen gemakkelijk uit elkaar trekken. Hier, we hebben een driehoekig rooster van atomen, die wordt geleverd in verpakkingen van vijf - deze lagen zijn sterk gebonden. De volgende vijf lagen zitten bovenop, maar zijn zwak gebonden aan de eerste vijf. Het blijkt, de zwakste schakel bevindt zich direct bij de substraat-TI-interface. Wanneer gesplitst, deze methode geeft een puur oppervlak, zonder besmetting door blootstelling aan de lucht."

De splitsing werd uitgevoerd in een ultrahoog vacuüm, binnen een zeer gevoelig instrument van het Institute for Solid State Physics van de Universiteit van Tokyo dat in staat is tot hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie (ARPES) bij een reeks temperaturen.

Chiang erkent, "De supergeleidende eigenschappen komen voor op zeer kleine energieschalen - het vereist een zeer hoge energieresolutie en zeer lage temperaturen. Dit deel van het experiment werd voltooid door onze collega's van de Universiteit van Tokio, waar ze de instrumenten hebben met de gevoeligheid om de resolutie te krijgen die we nodig hebben voor dit soort onderzoek. Zonder deze internationale samenwerking hadden we dit niet kunnen doen."

"Deze nieuwe monstervoorbereidingsmethode opent veel nieuwe wegen in onderzoek, in termen van exotische fysica, en, op de lange termijn, in termen van mogelijke nuttige toepassingen - mogelijk zelfs inclusief het bouwen van een betere supergeleider. Het zal de voorbereiding van monsters mogelijk maken met behulp van een breed scala aan andere TI's en SC's. Het kan ook nuttig zijn bij het miniaturiseren van elektronische apparaten, en in spintronische informatica, die minder energie zouden vergen in termen van warmteafvoer, ’ concludeert Chiang.

Eckstein voegt toe, "Er is veel opwinding hierover. Als we een supergeleidende TI kunnen maken, theoretische voorspellingen vertellen ons dat we een nieuwe elementaire excitatie zouden kunnen vinden die een ideale topologische kwantumbit zou vormen, of qubit. We zijn er nog niet, en er zijn nog veel dingen om je zorgen over te maken. Maar het zou een qubit zijn waarvan de kwantummechanische golffunctie minder gevoelig zou zijn voor lokale verstoringen die defasering zouden kunnen veroorzaken, berekeningen verknoeien."

Deze bevindingen zijn op 27 april 2018 online gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .