Suprajohtavuutta ja topologiaa

Princetonin tutkijat ovat löytäneet suprajohtavat virrat, jotka kulkevat suprajohteen ulkoreunoja pitkin joiden topologiset ominaisuudet ehdottaa reittiä topologiseen suprajohtavuuteen. Suprajohtavuus esitetään kaavion mustalla keskuksella. Röpelöinen rajakuvio osoittaa supravirran värähtelyn, joka vaihtelee sovelletun magneettikentän voimakkuuden mukaan.

Äskettäisessä Princetonin yliopiston kokeilussa tutkijat ovat paljastaneet topologisessa materiaalissa uuden ominaisuuden, joka johtuu suprajohtavuudesta. Löytö ehdottaa tapoja avata uusi topologisen suprajohtavuuden aikakausi, jolla voi olla arvoa kvanttilaskennalle.

"Tietojemme mukaan tämä on ensimmäinen havainto reunavirtavirrasta missä tahansa suprajohteessa", kertoi Princetonin fysiikan professori Nai Phuan Ong.

Topologisten materiaalien suprajohtavuutta tutkijat selvittivät kiteiseen molybdeeniditelluridin avulla. Kyseisellä materiaalilla on topologisia ominaisuuksia ja se on myös suprajohdin, kun lämpötila laskee alle 100 milliKelvinin.

Kun tutkijat saivat kiteensä suprajohtaviksi, he kohdistivat siihen heikon magneettikentän samalla kun mitattiin sen läpi kulkevan virtaa. Havaittiin, että kriittiseksi virraksi kutsuttu määrä osoittaa värähtelyjä, joka esiintyy sahahammaskuviona kun magneettikenttä kasvaa.

Sekä värähtelyjen korkeus että värähtelyjen taajuus sopivat ennusteisiin siitä, kuinka nämä vaihtelut syntyvät materiaalien reunoihin rajoittuneiden elektronien kvanttikäyttäytymisestä.

Suprajohtavuus syntyy, kun elektronit sitoutuvat Cooper-pareiksi, jotka tanssivat samassa tahdissa. Tutkijat kuvaavat elektronien seuraamaa käsikirjoitusta suprajohtimen aaltofunktioksi, jota voidaan karkeasti pitää nauhana, joka on venytetty suprajohtavan johtimen pituudelle, Ong selventää. Aaltofunktion pieni kiertyminen pakottaa kaikki Cooper-parit pitkässä johtimessa liikkumaan samalla nopeudella kuin “supraneste” - toisin sanoen toimien kuin yksi kooste, joka virtaa lämpöhäviötä tuottamatta.

Jos nauhassa ei ole kiertymiä, Cooper-parit ovat paikallaan eikä virtaa kulje. Jos tutkijat altistavat suprajohteen heikolle magneettikentälle, tämä lisää ylimääräistä vaikutusta kiertymiseen, jota tutkijat kutsuvat magneettiseksi vuoksi, joka hyvin pienille hiukkasille, kuten elektroneille, noudattaa kvanttimekaniikan sääntöjä.

Tutkijat ennustivat, että nämä kaksi tekijää käännösten lukumäärään, supraneste nopeus ja magneettinen vuo, vaikuttavat yhdessä pitämään kierrosten lukumäärän kokonaislukuna, kuten 2, 3 tai 4, eikä 3,2 tai 3,7. He ennustivat, että kun magneettinen vuo kasvaa tasaisesti, supranesteen nopeus kasvaa sahahammaskuviona kun supranesteen nopeus sovittautuu peruuttaen ylimääräisen 0,2 tai lisäten 0,3, jotta saadaan käännösten lukumäärä täsmäämään.

Ryhmä mittasi supranesteen virran, kun he muuttivat magneettivuota ja havaitsivat, että sahanhampainen kuvio oli todellakin näkyvä. Molybdeeniditelluridissa ja muissa ns. Weylin puolimetalleissa tämä elektronien Cooper-pariliitos näyttää aiheuttavan samanlaisen parinmuodostuksen reunoilla.

Tutkijat huomauttivat, että syy siihen, miksi reunan supravirta pysyy riippumattomana bulkkivirrasta, ei tällä hetkellä ole hyvin ymmärretty. "Koe kuitenkin osoittaa, että reunakondensaatit pysyvät erillään kideosan bulkkiosasta."

Tutkimusryhmä spekuloi, että mekanismi, joka estää kahta kondensaattia sekoittumasta, on topologinen suoja, joka periytyy molybdeeniditelluridin suojatuista reunatiloista.

Ryhmä toivoo voivansa soveltaa samaa kokeellista tekniikkaa reunan supervirtojen etsimiseen muissa epätavanomaisissa suprajohteissa.

Aiheesta aiemmin:

Kahdenlaisia varauksenkantajia suprajohteissa

Spinkuvioita korkean lämpötilan suprajohteissa