Группа ученых из МФТИ, Университета Твенте и Амстердамского университета обнаружила способность одного из топологических материалов — непроводящего висмута, легированного сурьмой, — проводить сверхпроводящий ток внутри своего объема. Топологические материалы являются перспективными элементами будущих квантовых устройств благодаря защищенности своих проводящих свойств. Однако до сих пор не удавалось обнаружить такое поведение этих материалов не в поверхностном слое, а в объеме. Это значительно увеличит надежность квантовых устройств. Работа опубликована в Nature Materials.

Александр Голубов, заведующий лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ: «Полученный нами результат является по мнению научного сообщества первым шагом к реализации нового типа квантовых алгоритмов и должен ускорить проникновение топологических квантовых вычислений в технологии”.

В последние годы область изучения топологических материалов стала очень актуальной. Так в 2016 году Нобелевская премия по физике была дана Костерлицу, Таулесу и Холдейну за теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз вещества.

Топологические изоляторы

Существует группа материалов, у которых в объеме сложная структура энергетических зон. Благодаря этому на поверхности возникает проводящее состояние с жесткой зависимостью возможного направления движения электрона от направления его спина. Такие материалы называются топологически защищенными. Обычно электроны, двигаясь в каком-либо веществе, рассеиваются на примесях, поскольку не существует абсолютно чистых материалов. В случае топологически защищенных материалов такой процесс будет невозможен или, как говорят физики, запрещен, ведь чтобы перевернуть направление движения, нужно будет перевернуть спин. А спин при отсутствии каких-то магнитных примесей или магнитных полей не будет переворачиваться.

Эта группа материалов называется также топологическими изоляторами. Изоляторами – потому что чаще всего в объеме эти материалы работают как изоляторы, они не проводят электрический ток. А на поверхности проводят. Топологическими – потому что именно их внутренняя топология делает поверхность проводящей.

«Это явление, наверное, более фундаментально, чем закон сохранения энергии и импульса. Потому что сохранение энергии в открытой системе работает с точностью до какого-то взаимодействия – поглотили фотон, у нас энергия изменилась. Импульс сохраняется опять же с точностью до рассеяния на примеси или на поверхности кристалла. Топологические изоляторы гораздо более устойчивы. Мы фактически отнимаем одну степень свободы у электронов. Можно менять электронную структуру внутри кристалла, но проводящее состояние на поверхности будет устойчивым, и его никак нельзя разрушить. Оно защищено и от рассеяния на примесях на поверхности», — поясняет соавтор работы Александр Голубов.

Многообещающе выглядит применение таких материалов в квантовых вычислениях. В этой сфере есть одна проблема – квантовое состояние очень легко разрушить. Квантовая частица живет в неизменном состоянии до тех пор, пока она не взаимодействует с окружением. Как только возникает взаимодействие с внешней средой, — состояние квантовой частицы получает конечное время жизни. Топологическая защита квантовых состояний по общему мнению является самой стабильной. Первые материалы с такими свойствами были получены несколько лет назад. Это полупроводники разного типа: висмут-селен, висмут-теллур и другие.

Эксперимент с дираковским полуметаллом

Новое слово в области создания топологически защищенных материалов – так называемые дираковские полуметаллы. Они характеризуются тем, что защищенные состояния могут быть даже в объеме вещества. Полуметаллами они называются, потому что занимают по электрическим свойствам промежуточное положение между металлами и полупроводниками.

Этот новый класс материалов еще более интересен для приложений, потому что поверхность подвержена любым химическим воздействиям: могут образоваться дефекты, которые все-таки нарушат эту топологическую защиту. В случае объемных топологически защищенных состояний разрушить их куда сложнее. Именно этот класс материалов на примере висмута, легированного сурьмой, изучался в рамках проделанного эксперимента. Было показано, что, действительно, топологическая защищенность присутствует в объеме пленки толщиной несколько сотен нанометров.

https://www.utwente.nl/.uc/i29414fbd01024a2a64009b551603ed4c9ed3f1a0b55c0701c4c003950280/data.jpg

Фото: Розовая подложка — кристаллик висмут-сурьмы, голубые полоски – ниобий, который становится сверхпроводником при -264℃. На этом образце авторами изучался эффект Джозефсона. Для этого по электродам из ниобия пропускали сверхпроводящий электрический ток при температурах близких к абсолютному нулю.

Ученые расположили на пленке из висмут-сурьмы контакты из сверхпроводящего ниобия. По сверхпроводящим электродам из ниобия в заданном направлении пропускался ток, который стимулировал движение электронов в висмут-сурьме от одного электрода к другому. Сверхпроводник позволил получить так называемый Джозефсоновский контакт. Эффект Джозефсона сводится к тому, что при разделении двух сверхпроводников каким-нибудь несверхпроводящим материалом, через этот материал может течь сверхпроводящий бездиссипативный ток, который будет переноситься куперовскими парами электронов — носителями сверхпроводящего тока.

4π-периодичность тока

Все сверхпроводники характеризуются макроскопической фазой. Текущий через несверхпроводящий материал Джозефсоновский ток периодически зависит от разности фаз двух сверхпроводников. В квантовой механике все 2π-периодично, то есть любая волновая функция не меняется при изменении фазы на 2π. Текущий ток должен иметь синусоидальную зависимость от разности фаз.

«Эксперимент показал, что если барьером будет служить топологический изолятор, в котором степень свободы у электрона пропадает, ток будет 4π-периодичным, что интуитивно кажется невероятным», — рассказывает Александр Голубов.

Рисунок: Зависимость энергии джозефсоновского контакта от разности фаз. Разные начальные уровни энергии соответствуют переносу заряда вправо либо влево.

«Направление тока фиксировано, значит, движение электронов возможно только в одну сторону. Система всегда стремится занять минимальный уровень энергии, поэтому естественным образом наша квантовая система занимает нижний энергетический уровень. В обычном случае электрон может двигаться и вправо и влево, потому что оба направления спина разрешены. Но когда мы один спин убрали, то электронам ничего не остается, как двигаться в одну сторону. Получается кажущееся нарушение принципа квантовой механики, поскольку при изменении фазы на 2π электрон проходит только полпути, а полный период будет 4π», — заключает Александр Голубов.

Обнаружение 4π-периодичности текущего через образец тока является прямым доказательством наличия топологической защищенности в объеме исследуемого материала.