Отображение электронных состояний в экзотическом сверхпроводнике

Ученые описали, как электронные состояния в соединении, содержащем железо, теллур и селен, зависят от местных химических концентраций. Они обнаружили, что сверхпроводимость (проведение электричества без сопротивления), наряду с отчетливыми магнитными корреляциями, возникает, когда локальная концентрация железа достаточно низка; сосуществующее электронное состояние, существующее только на поверхности (топологическое поверхностное состояние), возникает, когда концентрация теллура достаточно высока. Сообщается в Материалы Природы, их результаты указывают на диапазон составов, необходимый для топологической сверхпроводимости. Топологическая сверхпроводимость может обеспечить более надежные квантовые вычисления, которые обещают обеспечить экспоненциальный рост вычислительной мощности.


«Квантовые вычисления все еще находятся в зачаточном состоянии, и одной из ключевых задач является сокращение количества ошибок в вычислениях», – сказал первый автор Янму Ли, постдок группы по рассеиванию нейтронов Отделения физики конденсированных сред и материаловедения (CMPMS). в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США. «Ошибки возникают, когда кубиты или квантовые информационные биты взаимодействуют с окружающей средой. Однако, в отличие от захваченных ионов или твердотельных кубитов, таких как точечные дефекты в алмазе, топологические сверхпроводящие кубиты внутренне защищены от части шума. Следовательно, они могут поддерживать вычисления менее подвержены ошибкам. Вопрос в том, где мы можем найти топологическую сверхпроводимость?

В этом исследовании ученые сузили поиск до одного соединения, которое, как известно, содержит топологические поверхностные состояния, и входит в семейство сверхпроводников на основе железа. В этом соединении топологические и сверхпроводящие состояния неравномерно распределены по поверхности. Понимание того, что стоит за этими вариациями электронных состояний и как ими управлять, является ключом к реализации практических приложений, таких как топологически защищенные квантовые вычисления.

Из предыдущих исследований команда знала, что изменение количества железа может переключить из сверхпроводящего в несверхпроводящее состояние. Для этого исследования физик Генду Гу из отдела CMPMS вырастил два типа больших монокристаллов, один из которых содержит немного больше железа по сравнению с другим. Образец с более высоким содержанием железа не является сверхпроводящим; другой образец – сверхпроводящий.

Чтобы понять, различается ли расположение электронов в объеме материала между сверхпроводящими и несверхпроводящими образцами, команда обратилась к спин-поляризованному рассеянию нейтронов. Источник нейтронов расщепления (SNS), расположенный в Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики США, является единственным в своем роде прибором для выполнения этой техники.

«Рассеяние нейтронов может рассказать нам о магнитных моментах или спинах электронов и об атомной структуре материала», – пояснил автор-корреспондент Игорь Зализняк, физик из отдела нейтронного рассеяния CMPMS, возглавлявший команду Брукхейвена, которая помогла разработать и установить инструмент с сотрудниками в Ок-Ридже. «Чтобы выделить электронов, мы поляризуем нейтроны с помощью зеркала, которое отражает только одно конкретное направление вращения».

К своему удивлению, ученые наблюдали совершенно разные картины магнитных моментов электронов в двух образцах. Таким образом, небольшое изменение количества железа вызвало изменение электронного состояния.

«Увидев это резкое изменение, мы решили, что должны посмотреть на распределение электронных состояний в зависимости от локального химического состава», – сказал Зализняк.

В Брукхейвенском центре функциональных наноматериалов (CFN) Ли при поддержке сотрудников CFN Фернандо Камино и Гвен Райт определил химический состав репрезентативных более мелких образцов обоих типов с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии. В этом методе образец бомбардируется электронами и регистрируется испускаемое рентгеновское излучение, характерное для различных элементов. Они также измерили местное электрическое сопротивление, которое показывает, насколько когерентно электроны могут переносить заряд, с помощью микромасштабных электрических зондов. Для каждого кристалла Ли определил небольшую квадратную сетку (100 на 100 микрон). В общей сложности команда нанесла на карту местный состав и сопротивление в более чем 2000 различных местах.

0 Комментарий
Inline Feedbacks
View all comments