Wetenschappers karakteriseerden hoe de elektronische toestanden in een verbinding met ijzer, tellurium, en selenium zijn afhankelijk van lokale chemische concentraties. Ze ontdekten dat supergeleiding (stroom geleiden zonder weerstand), samen met duidelijke magnetische correlaties, verschijnt wanneer de lokale ijzerconcentratie voldoende laag is; een naast elkaar bestaande elektronische toestand die alleen aan het oppervlak bestaat (topologische oppervlaktetoestand) ontstaat wanneer de concentratie van tellurium voldoende hoog is. Gemeld in Natuurmaterialen , hun bevindingen wijzen op het samenstellingsbereik dat nodig is voor topologische supergeleiding. Topologische supergeleiding kan robuustere kwantumcomputers mogelijk maken, die belooft een exponentiële toename van de verwerkingskracht te leveren.

"Quantum computing staat nog in de kinderschoenen, en een van de belangrijkste uitdagingen is het verminderen van het foutenpercentage van de berekeningen, " zei eerste auteur Yangmu Li, een postdoc in de Neutron Scattering Group van de Condensed Matter Physics and Materials Science (CMPMS) Division bij het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE). "Fouten ontstaan ​​als qubits, of kwantuminformatiebits, interactie met hun omgeving. Echter, in tegenstelling tot ingesloten ionen of qubits in vaste toestand zoals puntdefecten in diamant, topologische supergeleidende qubits zijn intrinsiek beschermd tegen een deel van de ruis. Daarom, ze zouden de berekening kunnen ondersteunen die minder gevoelig is voor fouten. De vraag is, waar kunnen we topologische supergeleiding vinden?

In dit onderzoek, de wetenschappers vernauwden de zoektocht in een verbinding waarvan bekend is dat deze topologische oppervlaktetoestanden herbergt en deel uitmaakt van de familie van op ijzer gebaseerde supergeleiders. In deze verbinding, topologische en supergeleidende toestanden zijn niet gelijkmatig over het oppervlak verdeeld. Begrijpen wat er achter deze variaties in elektronische toestanden zit en hoe je ze kunt beheersen, is essentieel om praktische toepassingen mogelijk te maken, zoals topologisch beschermde kwantumcomputers.

Uit eerder onderzoek, het team wist dat het aanpassen van de hoeveelheid ijzer het materiaal van een supergeleidende naar een niet-supergeleidende toestand zou kunnen veranderen. Voor deze studie is natuurkundige Gendu Gu van de CMPMS-divisie kweekte twee soorten grote eenkristallen, de ene met iets meer ijzer ten opzichte van de andere. Het monster met het hogere ijzergehalte is niet-supergeleidend; het andere monster is supergeleidend.

Om te begrijpen of de rangschikking van elektronen in het grootste deel van het materiaal varieerde tussen de supergeleidende en niet-supergeleidende monsters, het team wendde zich tot spin-gepolariseerde neutronenverstrooiing. De Spallation Neutronenbron (SNS), gevestigd in het Oak Ridge National Laboratory van DOE, is de thuisbasis van een uniek instrument voor het uitvoeren van deze techniek.

"Neutronenverstrooiing kan ons de magnetische momenten vertellen, of draait, van elektronen en de atomaire structuur van een materiaal, " verklaarde corresponderende auteur, Igor Zaliznjak, een fysicus in de CMPMS Division Neutron Scattering Group die het Brookhaven-team leidde dat hielp bij het ontwerpen en installeren van het instrument met medewerkers van Oak Ridge. "Om de magnetische eigenschappen van elektronen te onderscheiden, we polariseren de neutronen met behulp van een spiegel die slechts één specifieke spinrichting reflecteert."

Tot hun verbazing, de wetenschappers observeerden drastisch verschillende patronen van elektronenmagnetische momenten in de twee monsters. Daarom, de kleine verandering in de hoeveelheid ijzer veroorzaakte een verandering in de elektronische toestand.

"Na het zien van deze dramatische verandering, we dachten dat we de verdeling van elektronische toestanden moesten bekijken als een functie van de lokale chemische samenstelling, ' zei Zaliznjak.

Bij Brookhaven's Centrum voor Functionele Nanomaterialen (CFN), Li, met steun van CFN-medewerkers Fernando Camino en Gwen Wright, bepaalde de chemische samenstelling over representatieve kleinere stukken van beide monstertypes door middel van energiedispersieve röntgenspectroscopie. Bij deze techniek, een monster wordt gebombardeerd met elektronen, en de uitgezonden röntgenstralen die kenmerkend zijn voor verschillende elementen worden gedetecteerd. Ze maten ook de lokale elektrische weerstand - die aangeeft hoe coherent elektronen lading kunnen transporteren - met elektrische sondes op microschaal. Voor elk kristal, Li definieerde een klein vierkant raster (100 bij 100 micron). In totaal, het team bracht de lokale samenstelling en weerstand in kaart op meer dan 2, 000 verschillende locaties.

"Door de experimenten bij de CFN, we karakteriseerden de chemie en algemene geleidingseigenschappen van de elektronen, " zei Zaliznyak. "Maar we moeten ook de microscopische elektronische eigenschappen karakteriseren, of hoe elektronen zich in het materiaal voortplanten, hetzij in de bulk of aan de oppervlakte. Supergeleiding geïnduceerd in elektronen die zich op het oppervlak voortplanten, kan topologische objecten bevatten die Majorana-modi worden genoemd, die in theorie een van de beste manieren zijn om kwantumberekeningen uit te voeren. Informatie over bulk- en oppervlakte-elektronische eigenschappen kan worden verkregen door middel van foto-emissiespectroscopie."

Voor de foto-emissiespectroscopie-experimenten, Zaliznyak en Li reikten naar Peter Johnson, leider van de CMPMS-divisie Elektronenspectroscopiegroep, en Nader Zaki, een wetenschappelijk medewerker in de groep van Johnson. Door de energie en het momentum te meten van elektronen die uit de monsters worden uitgestoten (met hetzelfde ruimtelijke raster) als reactie op licht, ze kwantificeerden de sterke punten van de elektronische toestanden die zich op het oppervlak voortplanten, in de massa, en het vormen van de supergeleidende toestand. Ze passen de foto-emissiespectra kwantitatief in een model dat de sterke punten van deze toestanden kenmerkt.

Vervolgens, het team bracht de sterktes van de elektronische toestand in kaart als een functie van de lokale samenstelling, in wezen het bouwen van een fasediagram.

"Dit fasediagram bevat de supergeleidende en topologische faseovergangen en wijst naar waar we een bruikbare chemische samenstelling kunnen vinden voor kwantumberekeningsmaterialen, " zei Li. "Voor bepaalde composities, er zijn geen coherente elektronische toestanden om topologische supergeleiding te ontwikkelen. In eerdere onderzoeken is mensen dachten dat instrumentstoringen of meetfouten de reden waren waarom ze geen kenmerken van topologische supergeleiding zagen. Hier laten we zien dat het te wijten is aan de elektronische toestanden zelf."

"Als het materiaal zich dicht bij de overgang tussen de topologische en niet-topologische toestand bevindt, je kunt schommelingen verwachten, " voegde Zaliznyak toe. "Om topologie te laten ontstaan, de elektronische toestanden moeten goed ontwikkeld en coherent zijn. Dus, vanuit een technologisch perspectief, we moeten materialen synthetiseren weg van de overgangslijn."

Volgende, de wetenschappers zullen het fasediagram uitbreiden om het compositiebereik in de topologische richting te verkennen, gericht op monsters met minder selenium en meer tellurium. Ze overwegen ook om neutronenverstrooiing toe te passen om inzicht te krijgen in een onverwachte energiekloof (een energiebereik waar geen elektronen zijn toegestaan) die zich openen in de topologische oppervlaktetoestand van dezelfde verbinding. De groep van Johnson ontdekte onlangs deze kloof en veronderstelde dat deze werd veroorzaakt door oppervlaktemagnetisme.