Magnetismi kohtaa topologian suprajohtimen pinnalla

Kuva topologisesta pintatilasta, jossa on energian kaistaero ylemmän ja vastaavan alemman kartion kärkien välissä. Topologinen pintatila heijastaa vahvaa vuorovaikutusta elektronin spinin ja sen kiertoradan välillä. Kun elektronin spin on linjassa samansuuntaisesti toistensa kanssa, kuten tässä, materiaalissa on ferromagnetismia.

Suurempi kuva

Kiinteän aineen elektronit käyttävät erillisiä kielletyn raon erottamia energiakaistoja. Mutta Brookhaven Laboratoryn tutkijat havaitsivat rautapohjaista suprajohdetta tutkiessaan, että tämä energiakaistojen rako avautuu pisteessä, jossa kaksi sallittua energiakaistaa leikkaa materiaalin pinnalla.

”Jonkin aika sitten ajateltiin, että suprajohtavuus ja magnetismi toimisivat toisiaan vastaan”, sanoo Nader Zaki. "Olemme nyt tutkineet materiaalia, jossa molemmat kehittyvät samanaikaisesti."

Suprajohtavuuden ja magneettisuuden lisäksi joillakin rautapohjaisilla suprajohteilla on oikeat olosuhteet "topologisten" pintatilojen isännöimiseksi. Näiden ainutlaatuisten elektronisten tilojen olemassaolo, lokalisoituna pinnalle, heijastaa voimakasta vuorovaikutusta elektronin spinin ja sen kiertoradan välillä.

Tutkijoiden mukaan topologinen suprajohtavuus pystyy mahdollisesti tukemaan Majoranan fermioneja, jotka saattaisivat toimia vakaina kubitteina. Lisäksi he näkevät rautapohjaiset suprajohteet alustana monille eksoottisille ja mahdollisesti tärkeille ilmiöille ja alkavat ymmärtämään topologian, suprajohtavuuden ja magneettisuuden rooleja.

"Kokeissa materiaali meni suprajohtavaksi, kuten odotimme ja näimme siihen liittyvän suprajohtavan aukon", Zaki kertoo. "Mutta mitä emme odottaneet, oli, että topologinen pintatila avasi toisen aukon Dirac-pisteessä. Tätä pintatilaa voi kuvata energiakaistarakenteen tiimalasina tai kahden kärjen kartiona. Kartioiden leikkauspistettä kutsutaan Dirac-pisteeksi."

Kuten tutkijat selittivät, kun aukko aukeaa Dirac-pisteessä, se on osoitus siitä, että aika-käänteinen symmetria on murtunut. Ajan kääntösymmetria tarkoittaa, että fysiikan lait ovat samat riippumatta siitä, katsotko järjestelmää ajassa eteenpäin tai taaksepäin. Tässä käännöksessä elektronien spinit muuttavat suuntaa ja rikkovat tämän symmetrian. Siten yksi tapa murtaa ajan kääntymisen symmetria on kehittää magnetismi - erityisesti ferromagnetismi, jossa kaikki elektronien spinit kohdistuvat rinnakkain yhteen suuntaan.

"Järjestelmä on menossa suprajohtavaan tilaan ja näennäisesti magneettisuus kehittyy", selittää Peter Johnson. "Meidän on oletettava, että magnetismi on pinta-alueella, koska tässä muodossa se ei voi olla samaan aikaan perusmateriaalissa. Tämä löytö on jännittävä, koska materiaalissa on paljon erilaista fysiikkaa: suprajohtavuus, topologia ja nyt magnetismi. Ymmärtäminen, miten nämä ilmiöt syntyvät materiaalissa, voisi tarjota perustan monille uusille ja jännittäville teknologisille suunnille."

Kuten aiemmin todettiin, materiaalin suprajohtavuutta ja vahvoja spin-orbit -vaikutuksia voidaan hyödyntää kvanttitietotekniikoissa. Vaihtoehtoisesti materiaalin magneettisuus ja vahvat spin-orbit -vuorovaikutukset voisivat mahdollistaa häviöttömän sähkövirran kuljetuksen elektroniikassa, toteavat tutkijat.

Aiheesta aiemmin:

Topologista magnetoresistanssia

Topologinen eriste fotonien reitittäjäksi

Topologia avuksi fotoniikkaan