Una rivoluzionaria tecnica di preparazione del campione ha consentito ai ricercatori dell'Università dell'Illinois di Urbana-Champaign e dell'Università di Tokyo di eseguire lo studio più controllato e sensibile fino ad oggi su un isolante topologico (TI) strettamente accoppiato a un superconduttore (SC). Gli scienziati hanno osservato l'effetto di prossimità del superconduttore, la superconduttività indotta nel TI a causa della sua vicinanza al SC, e hanno misurato la sua relazione con la temperatura e lo spessore del TI.

I TI con superconduttività indotta sono di fondamentale interesse per i fisici perché hanno il potenziale per ospitare fenomeni fisici esotici, compreso l'elusivo fermione di Majorana - una particella elementare teorizzata come la sua stessa antiparticella - e che esibisca la supersimmetria - un fenomeno che va oltre il modello standard che farebbe luce su molti problemi in sospeso in fisica. Le TI superconduttive sono anche molto promettenti per le applicazioni tecnologiche, compresa la computazione quantistica topologica e la spintronica.

I superconduttori topologici naturali sono rari, e quelli che sono stati studiati hanno mostrato gap superconduttori estremamente piccoli e temperature di transizione molto basse, limitando la loro utilità per scoprire le proprietà fisiche e i comportamenti interessanti che sono stati teorizzati.

I TI sono stati utilizzati nell'ingegneria dei superconduttori topologici superconduttori (TI/SC), facendo crescere TI su un substrato superconduttore. Dalla loro scoperta sperimentale nel 2007, I TI hanno incuriosito i fisici della materia condensata, e una raffica di ricerche teoriche e sperimentali in corso in tutto il mondo ha esplorato le proprietà quantomeccaniche di questa straordinaria classe di materiali. Questi materiali 2D e 3D sono isolanti nella loro massa, ma conducono elettricità sui loro bordi o superfici esterne tramite speciali stati elettronici di superficie che sono topologicamente protetti, il che significa che non possono essere facilmente distrutti da impurità o imperfezioni nel materiale.

Ma anche la progettazione di tali sistemi TI/SC tramite la crescita di film sottili di TI su substrati superconduttori si è rivelata impegnativa, dati diversi ostacoli, compreso il disallineamento della struttura reticolare, reazioni chimiche e difetti strutturali all'interfaccia, e altri fattori ancora poco conosciuti.

Ora, una nuova tecnica di coltivazione del campione sviluppata presso l'Università di I. ha superato questi ostacoli. Sviluppato dal professore di fisica James Eckstein in collaborazione con il professore di fisica Tai-Chang Chiang, la nuova tecnica di crescita del campione TI/SC "flip-chip" ha permesso agli scienziati di produrre film sottili stratificati del ben studiato seleniuro di bismuto TI sopra il niobio SC prototipo, nonostante le loro strutture reticolari cristalline incompatibili e la natura altamente reattiva di niobio.

Questi due materiali presi insieme sono ideali per sondare aspetti fondamentali della fisica TI/SC, secondo Chiang:"Questo è probabilmente l'esempio più semplice di una TI/SC in termini di strutture elettroniche e chimiche. E la SC che abbiamo usato ha la più alta temperatura di transizione tra tutti gli elementi della tavola periodica, che rende la fisica più accessibile. Questo è davvero l'ideale; fornisce un più semplice, base più accessibile per esplorare le basi della superconduttività topologica, "Chiang commenta.

Il metodo consente un controllo molto preciso sullo spessore del campione, e gli scienziati hanno esaminato una gamma da 3 a 10 strati TI, con 5 strati atomici per strato TI. Le misurazioni del team hanno mostrato che l'effetto di prossimità induce la superconduttività sia negli stati di massa che negli stati di superficie topologici dei film di TI. Chiang sottolinea, ciò che hanno visto fornisce nuove informazioni sull'accoppiamento superconduttore degli stati di superficie topologici spin-polarizzati.

"I risultati di questa ricerca sono inequivocabili. Vediamo chiaramente il segnale, Chiang riassume. "Abbiamo studiato il gap superconduttore in funzione dello spessore del film TI e anche in funzione della temperatura. I risultati sono piuttosto semplici:il divario scompare quando si supera la temperatura di transizione del niobio. Va bene, è semplice. Mostra le opere di fisica. Più interessante è la dipendenza dallo spessore del film. Non sorprendentemente, vediamo che il gap superconduttore si riduce all'aumentare dello spessore del film TI, ma la riduzione è sorprendentemente lenta. Questa osservazione solleva una domanda intrigante su come l'accoppiamento sulla superficie del film sia indotto dall'accoppiamento all'interfaccia".

Chiang attribuisce a Eckstein lo sviluppo dell'ingegnoso metodo di preparazione del campione. Si tratta di assemblare il campione in ordine inverso, sopra un substrato sacrificale di ossido di alluminio, comunemente noto come zaffiro minerale. Gli scienziati sono in grado di controllare il numero specifico di strati di cristalli TI coltivati, ciascuno di spessore atomico quintuplo. Quindi uno strato superconduttore policristallino di niobio viene depositato mediante sputtering sopra il film di TI. Il campione viene quindi capovolto e lo strato sacrificale che era servito da substrato viene rimosso colpendo un "perno di scollatura". Gli strati vengono tagliati precisamente all'interfaccia tra il TI e l'ossido di alluminio.

Eckstein spiega, "La tecnica del 'flip-chip' funziona perché gli strati non sono fortemente legati:sono come una risma di carta, dove c'è forza nella pila, ma puoi separare facilmente gli strati. Qui, abbiamo un reticolo triangolare di atomi, che viene fornito in confezioni da cinque:questi strati sono fortemente legati. I successivi cinque strati si siedono sopra, ma sono debolmente legati ai primi cinque. Si scopre, l'anello più debole è proprio all'interfaccia substrato-TI. Quando scisso, questo metodo dà una superficie pura, senza contaminazione da esposizione all'aria."

La scissione è stata eseguita in un vuoto ultraelevato, all'interno di uno strumento altamente sensibile presso l'Istituto di fisica dello stato solido dell'Università di Tokyo in grado di eseguire la spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta (ARPES) a una gamma di temperature.

Chiang riconosce, "Le caratteristiche del superconduttore si verificano su scale energetiche molto piccole:richiedono una risoluzione energetica molto elevata e temperature molto basse. Questa parte dell'esperimento è stata completata dai nostri colleghi dell'Università di Tokyo, dove hanno gli strumenti con la sensibilità per ottenere la risoluzione di cui abbiamo bisogno per questo tipo di studio. Non avremmo potuto farlo senza questa collaborazione internazionale".

"Questo nuovo metodo di preparazione del campione apre molte nuove strade nella ricerca, in termini di fisica esotica, e, a lungo termine, in termini di possibili applicazioni utili, inclusa potenzialmente anche la costruzione di un superconduttore migliore. Consentirà la preparazione di campioni utilizzando un'ampia gamma di altri TI e SC. Potrebbe essere utile anche nella miniaturizzazione di dispositivi elettronici, e nel calcolo spintronico, che richiederebbe meno energia in termini di dissipazione del calore, "Chiang conclude.

Eckstein aggiunge, "C'è molta eccitazione al riguardo. Se riusciamo a realizzare un TI superconduttore, le previsioni teoriche ci dicono che potremmo trovare una nuova eccitazione elementare che sarebbe un bit quantistico topologico ideale, o qubit. non ci siamo ancora, e ci sono ancora molte cose di cui preoccuparsi. Ma sarebbe un qubit la cui funzione d'onda della meccanica quantistica sarebbe meno suscettibile alle perturbazioni locali che potrebbero causare sfasamento, fare confusione con i calcoli".

Questi risultati sono stati pubblicati online il 27 aprile 2018 sulla rivista Progressi scientifici .