Elektronen in een vaste stof bezetten verschillende energiebanden, gescheiden door gaten. Hiaten in de energieband zijn een elektronisch "niemandsland, " een energiebereik waar geen elektronen zijn toegestaan. Nu, wetenschappers die een verbinding bestuderen die ijzer bevat, tellurium, en selenium hebben ontdekt dat een energiebandopening zich opent op een punt waar twee toegestane energiebanden elkaar kruisen op het oppervlak van het materiaal. Ze observeerden dit onverwachte elektronische gedrag toen ze het materiaal afkoelden en de elektronische structuur ervan met laserlicht onderzochten. Hun bevindingen, gerapporteerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences , zou implicaties kunnen hebben voor toekomstige kwantuminformatiewetenschap en elektronica.

De specifieke verbinding behoort tot de familie van op ijzer gebaseerde supergeleiders voor hoge temperaturen, die voor het eerst werden ontdekt in 2008. Deze materialen geleiden niet alleen elektriciteit zonder weerstand bij relatief hogere (maar nog steeds erg koude) temperaturen dan andere klassen supergeleiders, maar vertonen ook magnetische eigenschappen.

"Voor een poosje, mensen dachten dat supergeleiding en magnetisme elkaar tegen zouden werken, " zei eerste auteur Nader Zaki, een wetenschappelijk medewerker in de Electron Spectroscopy Group van de Condensed Matter Physics and Materials Science (CMPMS) Division bij het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE). "We hebben een materiaal onderzocht waarin beide zich tegelijkertijd ontwikkelen."

Afgezien van supergeleiding en magnetisme, sommige op ijzer gebaseerde supergeleiders hebben de juiste omstandigheden om "topologische" oppervlaktetoestanden te hosten. Het bestaan ​​van deze unieke elektronische toestanden, gelokaliseerd aan het oppervlak (ze komen niet voor in het grootste deel van het materiaal), weerspiegelt sterke interacties tussen de spin van een elektron en zijn baanbeweging rond de kern van een atoom.

"Als je een supergeleider hebt met topologische oppervlakte-eigenschappen, je bent opgewonden door de mogelijkheid van topologische supergeleiding, " zei corresponderende auteur Peter Johnson, leider van de Electron Spectroscopy Group. "Topologische supergeleiding is potentieel in staat om Majorana-fermionen te ondersteunen, die als qubits kunnen dienen, de informatie-opslag bouwstenen van kwantumcomputers."

Quantumcomputers beloven enorme versnellingen voor berekeningen die onpraktisch veel tijd in beslag zouden nemen of onmogelijk zouden zijn op traditionele computers. Een van de uitdagingen bij het realiseren van praktische quantum computing is dat qubits zeer gevoelig zijn voor hun omgeving. Kleine interacties zorgen ervoor dat ze hun kwantumtoestand verliezen en dus gaat opgeslagen informatie verloren. De theorie voorspelt dat Majorana-fermionen (gezochte quasideeltjes) die in supergeleidende topologische oppervlaktetoestanden voorkomen, immuun zijn voor omgevingsverstoringen, waardoor ze een ideaal platform zijn voor robuuste qubits.

De op ijzer gebaseerde supergeleiders zien als een platform voor een reeks exotische en potentieel belangrijke fenomenen, Zaki, johnson, en hun collega's probeerden de rollen van topologie te begrijpen, supergeleiding en magnetisme.

CMPMS Division senior natuurkundige Genda Gu kweekte voor het eerst hoogwaardige eenkristallen van de op ijzer gebaseerde verbinding. Vervolgens, Zaki bracht de elektronische bandstructuur van het materiaal in kaart via lasergebaseerde foto-emissiespectroscopie. Wanneer het licht van een laser op een kleine plek op het materiaal wordt gericht, elektronen van het oppervlak worden "uitgetrapt" (d.w.z. foto-uitgezonden). De energie en het momentum van deze elektronen kunnen dan worden gemeten.

Toen ze de temperatuur verlaagden, er gebeurde iets verrassends.

"Het materiaal werd supergeleidend, zoals we verwachtten, en we zagen daarmee een supergeleidende kloof, " zei Zaki. "Maar wat we niet hadden verwacht, was dat de topologische oppervlaktetoestand een tweede gat opende op het Dirac-punt. Je kunt je de energiebandstructuur van deze oppervlaktetoestand voorstellen als een zandloper of twee kegels die aan hun top zijn bevestigd. Waar deze kegels elkaar kruisen, wordt het Dirac-punt genoemd."

Zoals Johnson en Zaki hebben uitgelegd, wanneer er een opening ontstaat bij het Dirac-punt, het is een bewijs dat de tijdomkeringssymmetrie is verbroken. Tijdomkeersymmetrie betekent dat de wetten van de fysica hetzelfde zijn, of je nu kijkt naar een systeem dat vooruit of achteruit gaat in de tijd - vergelijkbaar met het terugspoelen van een video en het zien van dezelfde reeks gebeurtenissen die omgekeerd worden afgespeeld. Maar onder tijdomkering, elektronenspins veranderen van richting en doorbreken deze symmetrie. Dus, een van de manieren om de tijdomkeringssymmetrie te doorbreken is door magnetisme te ontwikkelen, in het bijzonder, ferromagnetisme, een type magnetisme waarbij alle elektronspins op een parallelle manier zijn uitgelijnd.

"Het systeem gaat in de supergeleidende toestand en schijnbaar magnetisme ontwikkelt zich, " zei Johnson. "We moeten aannemen dat het magnetisme zich in het oppervlaktegebied bevindt, omdat het in deze vorm niet in de massa naast elkaar kan bestaan. Deze ontdekking is opwindend omdat het materiaal veel verschillende fysica bevat:supergeleiding, topologie, en nu magnetisme. Ik zeg graag dat het one-stop-shopping is. Begrijpen hoe deze verschijnselen in het materiaal ontstaan, zou een basis kunnen vormen voor veel nieuwe en opwindende technologische richtingen."

Zoals eerder opgemerkt, de supergeleiding van het materiaal en de sterke spin-baaneffecten kunnen worden benut voor kwantuminformatietechnologieën. Alternatief, het magnetisme van het materiaal en de sterke spin-baaninteracties kunnen dissipatieloos (geen energieverlies) transport van elektrische stroom in elektronica mogelijk maken. Deze mogelijkheid kan worden benut om elektronische apparaten te ontwikkelen die weinig stroom verbruiken.

Medeauteurs Alexei Tsvelik, senior wetenschapper en groepsleider van de CMPMS Division Condensed Matter Theory Group, en Congjun Wu, een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Californië, San Diego, verschafte theoretische inzichten over hoe tijdomkeringssymmetrie wordt verbroken en hoe magnetisme ontstaat in het oppervlaktegebied.

"Deze ontdekking onthult niet alleen diepe verbindingen tussen topologische supergeleidende toestanden en spontane magnetisatie, maar biedt ook belangrijke inzichten in de aard van supergeleidende klooffuncties in op ijzer gebaseerde supergeleiders - een uitstekend probleem bij het onderzoek naar sterk gecorreleerde onconventionele supergeleiders, " zei Wu.

In een afzonderlijke studie met andere medewerkers in de CMPMS-divisie, het experimentele team onderzoekt hoe verschillende concentraties van de drie elementen in het monster bijdragen aan de waargenomen verschijnselen. Schijnbaar, tellurium is nodig voor de topologische effecten, te veel ijzer doodt supergeleiding, en selenium verbetert de supergeleiding.

Bij vervolgexperimenten het team hoopt de tijdomkering van symmetrie te verifiëren met andere methoden en te onderzoeken hoe vervangende elementen in de verbinding het elektronische gedrag wijzigen.

"Als materiaalwetenschappers, we veranderen graag de ingrediënten in het mengsel om te zien wat er gebeurt, " zei Johnson. "Het doel is om erachter te komen hoe supergeleiding, topologie, en magnetisme interageren in deze complexe materialen."