WTe2 Giunzione Josephson:Le lastre verdi sono strati di WTe2, le barre arancioni sono elettrodi di niobio, e le linee rosse e blu indicano gli elettrodi spin up e spin down che viaggiano su due cerniere dei campioni. Credito:Gil-Ho Lee (POSTECH)
Nell'ultima decade, il campo della fisica della materia condensata ha vissuto un'epoca d'oro con la scoperta di nuovi materiali e proprietà, e le relative tecnologie sviluppate a velocità vertiginosa grazie all'arrivo della fisica topologica. La fisica topologica è decollata nel 2008 con la scoperta dell'isolante topologico, un tipo di materiale elettricamente isolante in massa ma metallico in superficie.
Da allora, gli scienziati hanno trovato fasi topologiche più esotiche tra cui semimetalli di Dirac, Semimetalli di Weyl e isolanti assionici. Ma più di recente, teoricamente sono stati previsti materiali isolanti alla rinfusa su superfici e spigoli ma metallici solo nelle cerniere o negli angoli. Questi bizzarri nuovi materiali chiamati isolanti topologici di ordine superiore sono estremamente rari e finora è stato sperimentalmente dimostrato che solo l'elemento bismuto appartiene a questa categoria.
Che cos'è uno stato cerniera comunque? Immagina una scatola, più lunga e più larga che alta, con alette in alto e in basso che puoi aprire per mettere le cose all'interno. Lo spazio all'interno della scatola sarebbe chiamato la massa. La maggior parte dei materiali che conducono elettricità lo fanno alla rinfusa. Però, negli isolanti topologici, la maggior parte della scatola è elettricamente isolante, ma la parte superiore e inferiore, i lembi, sono metallici e mantengono gli stati superficiali. Per alcuni materiali, la maggior parte, la parte superiore e inferiore della scatola sono isolanti ma i lati (bordi) sono metallici. Questi hanno stati limite che sono stati dimostrati negli isolanti topologici magnetici. Finalmente, negli isolanti topologici di ordine superiore, la maggior parte, superiore, fondo e lati della scatola sono tutti isolanti, ma le cerniere e gli angoli della scatola sono metallici e hanno diversi stati di cerniera o angolo. Si prevede che questi stati cerniera esistano anche in semimetalli topologici come il bismuto. Gli stati cerniera in particolare dovrebbero essere promettenti per lo studio della spintronica perché la direzione della loro propagazione è legata al loro spin così come per i fermioni di Majorana che sono attivamente studiati per le loro applicazioni al calcolo quantistico tollerante ai guasti.
Ora un team internazionale di scienziati dagli Stati Uniti, Hong Kong, Germania, e la Corea del Sud hanno identificato un nuovo isolante topologico di ordine superiore. È un dicalcogenuro di metallo di transizione bidimensionale stratificato (TMDC) chiamato WTe2. Questo è un materiale famoso nella fisica della materia condensata che mostra una varietà di proprietà esotiche dalla magnetoresistenza titanica all'effetto spin hall quantizzato. È stato il primo esempio di un semimetallo Weyl di tipo II che può essere trasformato in dispositivi con un solo strato di spessore ed è esfoliabile come il grafene. WTe 2 ha anche dimostrato di essere superconduttore sotto pressione, il che significa che gli elettroni formano coppie e una supercorrente lo attraversa senza alcuna resistenza.
Aggiungendo a questo carnevale di proprietà, i fisici teorici nel 2019 immaginavano WTe 2 e il suo materiale gemello MoTe 2 isolanti topologici di ordine superiore con stati cerniera metallici. Da allora molti gruppi di ricerca in tutto il mondo hanno cercato prove di questi stati esotici nel WTe 2 e MoTe 2 e alcuni risultati recenti hanno mostrato che ci sono stati extra conduttivi ai loro bordi. Ma i ricercatori non sono stati in grado di identificare se si trattasse di stati veramente marginali o degli stati cardine molto ricercati.
In uno studio pubblicato su Materiali della natura il 6 luglio, 2020, il team guidato da Kin Chung Fong (Raytheon BBN Technologies), Mazhar N. Ali (Max Plank Institute of Microstructure Physics e anche Material Mind Inc.), Kam Tuen Law (Hong Kong University of Science and Technology) e Gil-Ho Lee (Pohang University of Science and Technology, e l'Asia Pacific Center for Theoretical Physics) hanno adottato un nuovo approccio utilizzando le giunzioni Josephson per risolvere spazialmente il flusso di supercorrente e per dimostrare che WTe 2 sembra infatti avere stati cerniera ed essere un isolante topologico di ordine superiore (Link al documento).
Le giunzioni Josephson sono un dispositivo e uno strumento incredibilmente importanti in fisica. Sono utilizzati in una varietà di applicazioni tecnologiche, comprese le macchine per la risonanza magnetica (MRI) e nei qubit, che sono gli elementi costitutivi dei computer quantistici. Queste giunzioni si formano quando due elettrodi superconduttori come il niobio (Nb) sono collegati da un ponte non superconduttore come un WTe di alta qualità 2 in un dispositivo a film sottile. Quando la temperatura si è abbassata abbastanza, la supercorrente che viene iniettata da un elettrodo di Nb può viaggiare attraverso il ponte senza resistenza all'altro elettrodo di Nb. Pertanto il dispositivo complessivo mostra resistenza zero e si dice che sia superconduttore.
Però, nessuna quantità infinita di supercorrente può essere inviata attraverso il ponte mantenendo la superconduttività. Quando la corrente iniettata supera una corrente critica, la giunzione si trasforma in uno stato normale e mostra una resistenza finita. L'effetto Josephson afferma che in funzione del campo magnetico applicato, la corrente critica oscillerà secondo uno schema di Fraunhofer tra valori alti e bassi a causa del cambiamento di fase della funzione d'onda superconduttiva attraverso il campione.
The team realized that hidden in this oscillation is location information of the supercurrent while it travels in the sample. By taking an inverse Fourier transform of the Fraunhofer pattern, the researchers were able to visualize the supercurrent flow in the sample and found that it indeed travels on the sides of the WTe 2 dispositivo. Però, this was not enough to distinguish the edge states from the hinge states.
As shown in the figure below, due to a quirk in the symmetry-based origin of the hinge states, not all hinges are identical on the WTe 2 sample. Per esempio, there are metallic hinge states on top left and bottom right hinges on the sample but not on the top right or bottom left. This is different from an edge state, which would simply be existing on the entirety of the left and right sides of the sample. Regarding this, Kin Chung Fong of Raytheon BBN Technologies explains, "We used this difference to our advantage. By connecting superconducting electrodes on just the top half of the sample and not the bottom half, we realized we would see a different Fraunhofer pattern if hinge states existed and not edge states." He further commented, "In questa configurazione, electrodes would connect to only one of the hinge states (i.e. top left and not bottom right), which would show a distinct Fraunhofer pattern. If there were edge states, this configuration wouldn't be any different than connecting to both the bottom and top halves of the sample and the Fraunhofer would look the same." When they carried out this challenging experiment, they observed the hallmark of the hinge state, not the edge state.
"But that's not all. WTe 2 is a fairly low-symmetry orthorhombic material with high crystalline anisotropy. The different directions in the crystal are not equivalent and we also theorized and confirmed that the hinge states existing in WTe 2 aren't all equivalent either. In some directions, they mix into the bulk while in other directions they don't, " explained Kam Tuen Law at Hong Kong University of Science and Technology.
"There is a variety of exciting physics to be explored in these compounds in the near future now that hinge states have been found in WTe 2 , " remarked Gil Ho Lee of Pohang University of Science and Technology. He added, "The possibility for dissipationless interconnections, true 1D superconducting nano-wires and spintronics devices, topological superconductivity, Majorana fermions and correspondingly topological quantum computers are all on the horizon."
Mazhar N. Ali at the Max Plank Institute of Microstructure Physics explained, "WTe 2 may be the second material shown to host hinge states, but it is very different from the other candidate, bismuth. Being 2-D, WTe 2 is easily fabricable into nano-devices with controlled surfaces, and can be layered on top of other 2-D materials in heterostructures and even on top of itself when slightly twisted to form a Moire superlattice." He added, "Its sister material MoTe 2 is expected to exhibit the same hinge states but it is an intrinsic superconductor at low temperatures." He concludes, "How can these hinge states be modified, controlled, and used? There are a lot of exciting research opportunities ahead."
