Una técnica innovadora de preparación de muestras ha permitido a los investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y la Universidad de Tokio realizar el estudio más controlado y sensible hasta la fecha de un aislante topológico (TI) estrechamente acoplado a un superconductor (SC). Los científicos observaron el efecto de proximidad superconductora (superconductividad inducida en el TI debido a su proximidad al SC) y midieron su relación con la temperatura y el grosor del TI.

Los TI con superconductividad inducida son de gran interés para los físicos porque tienen el potencial de albergar fenómenos físicos exóticos, incluido el escurridizo fermión de Majorana, una partícula elemental que se teoriza como su propia antipartícula y que exhibe supersimetría, un fenómeno que va más allá del modelo estándar y que arrojaría luz sobre muchos problemas destacados de la física. Los TI superconductores también son muy prometedores para las aplicaciones tecnológicas, incluida la computación cuántica topológica y la espintrónica.

Los superconductores topológicos naturales son raros, y aquellos que han sido investigados han exhibido brechas superconductoras extremadamente pequeñas y temperaturas de transición muy bajas, limitando su utilidad para descubrir las interesantes propiedades físicas y comportamientos que se han teorizado.

Los TI se han utilizado en la ingeniería de superconductores topológicos superconductores (TI / SC), mediante el cultivo de TI en un sustrato superconductor. Desde su descubrimiento experimental en 2007, Los TI han intrigado a los físicos de la materia condensada, y una oleada de investigaciones teóricas y experimentales que tienen lugar en todo el mundo ha explorado las propiedades mecánicas cuánticas de esta extraordinaria clase de materiales. Estos materiales 2D y 3D son aislantes en su mayor parte, pero conducen electricidad en sus bordes o superficies externas a través de estados electrónicos de superficie especiales que están topológicamente protegidos, lo que significa que no pueden ser destruidos fácilmente por impurezas o imperfecciones en el material.

Pero la ingeniería de tales sistemas TI / SC a través del crecimiento de películas delgadas de TI en sustratos superconductores también ha demostrado ser un desafío, dados varios obstáculos, incluido el desajuste de la estructura de celosía, reacciones químicas y defectos estructurales en la interfaz, y otros factores aún poco conocidos.

Ahora, una novedosa técnica de cultivo de muestras desarrollada en la U. de I. ha superado estos obstáculos. Desarrollado por el profesor de física James Eckstein en colaboración con el profesor de física Tai-Chang Chiang, la nueva técnica de cultivo de muestras de TI / SC "flip-chip" permitió a los científicos producir películas delgadas en capas del seleniuro de bismuto de TI bien estudiado sobre el niobio SC prototípico, a pesar de sus estructuras reticulares cristalinas incompatibles y su naturaleza altamente reactiva de niobio.

Estos dos materiales tomados en conjunto son ideales para sondear aspectos fundamentales de la física TI / SC, según Chiang:"Este es posiblemente el ejemplo más simple de un TI / SC en términos de estructuras electrónicas y químicas. Y el SC que usamos tiene la temperatura de transición más alta entre todos los elementos de la tabla periódica, lo que hace que la física sea más accesible. Esto es realmente ideal; proporciona una una base más accesible para explorar los conceptos básicos de la superconductividad topológica, "Comentarios de Chiang.

El método permite un control muy preciso sobre el espesor de la muestra, y los científicos observaron un rango de 3 a 10 capas de TI, con 5 capas atómicas por capa de TI. Las mediciones del equipo mostraron que el efecto de proximidad induce superconductividad tanto en los estados generales como en los estados de la superficie topológica de las películas de TI. Chiang subraya, lo que vieron brinda nuevos conocimientos sobre el emparejamiento superconductor de los estados de superficie topológicos de espín polarizado.

"Los resultados de esta investigación son inequívocos. Vemos la señal claramente, "Chiang resume." Investigamos el espacio superconductor como una función del espesor de la película de TI y también como una función de la temperatura. Los resultados son bastante simples:la brecha desaparece a medida que se supera la temperatura de transición del niobio. Eso es bueno, es simple. Muestra las obras de física. Más interesante es la dependencia del grosor de la película. No es sorprendente, vemos que la brecha superconductora se reduce para aumentar el espesor de la película de TI, pero la reducción es sorprendentemente lenta. Esta observación plantea una pregunta intrigante sobre cómo se induce el emparejamiento en la superficie de la película mediante el acoplamiento en la interfaz ".

Chiang le da crédito a Eckstein por haber desarrollado el ingenioso método de preparación de muestras. Implica ensamblar la muestra en orden inverso, sobre un sustrato de sacrificio de óxido de aluminio, comúnmente conocido como el zafiro mineral. Los científicos pueden controlar el número específico de capas de cristales de TI que crecen, cada uno de quintuple de espesor atómico. Luego, se deposita por pulverización catódica una capa superconductora policristalina de niobio sobre la película de TI. A continuación, se da la vuelta a la muestra y la capa de sacrificio que había servido como sustrato se desprende golpeando un "alfiler de escisión". Las capas se cortan con precisión en la interfaz del TI y el óxido de aluminio.

Eckstein explica, "La técnica de 'flip-chip' funciona porque las capas no están fuertemente unidas, son como una pila de papel, donde hay fuerza en la pila, pero puedes separar las capas fácilmente. Aquí, tenemos una red triangular de átomos, que viene en paquetes de cinco, estas capas están fuertemente adheridas. Las siguientes cinco capas se sientan en la parte superior, pero están débilmente vinculados a los primeros cinco. Resulta, el eslabón más débil está justo en la interfaz sustrato-TI. Cuando se corta, este método da una superficie pura, sin contaminación por exposición al aire ".

La escisión se realizó en un vacío ultra alto, dentro de un instrumento altamente sensible en el Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad de Tokio capaz de realizar espectroscopía de fotoemisión de resolución angular (ARPES) en un rango de temperaturas.

Chiang reconoce, "Las características superconductoras ocurren a escalas de energía muy pequeñas; requiere una resolución de energía muy alta y temperaturas muy bajas. Esta parte del experimento fue completada por nuestros colegas de la Universidad de Tokio. donde tienen los instrumentos con la sensibilidad para obtener la resolución que necesitamos para este tipo de estudio. No podríamos haber hecho esto sin esta colaboración internacional ".

"Este nuevo método de preparación de muestras abre muchas nuevas vías en la investigación, en términos de física exótica, y, a largo plazo, en términos de posibles aplicaciones útiles, incluso potencialmente incluyendo la construcción de un mejor superconductor. Permitirá la preparación de muestras utilizando una amplia gama de otros TI y SC. También podría ser útil en la miniaturización de dispositivos electrónicos, y en computación espintrónica, lo que requeriría menos energía en términos de disipación de calor, "Chiang concluye.

Eckstein agrega, "Hay mucho entusiasmo por esto. Si podemos hacer una TI superconductora, Las predicciones teóricas nos dicen que podríamos encontrar una nueva excitación elemental que haría un bit cuántico topológico ideal, o qubit. Todavía no estamos allí y todavía hay muchas cosas de las que preocuparse. Pero sería un qubit cuya función de onda mecánica cuántica sería menos susceptible a las perturbaciones locales que podrían causar desfase, estropear los cálculos ".

Estos hallazgos se publicaron en línea el 27 de abril de 2018 en la revista Avances de la ciencia .