Un transistor basato sul materiale 2-D ditelluride di tungsteno (WTe ₂ ) racchiuso tra nitruro di boro può passare tra due diversi stati elettronici, uno che conduce corrente solo lungo i suoi bordi, rendendolo un isolante topologico, e uno che conduce corrente senza resistenza, rendendolo un superconduttore, come hanno dimostrato i ricercatori del MIT e i colleghi di altre quattro istituzioni.

Utilizzando misurazioni a quattro sonde, una comune tecnica di trasporto elettronico quantistico per misurare il comportamento elettronico dei materiali, i ricercatori hanno tracciato la capacità di carico di corrente e le caratteristiche di resistenza del transistor bidimensionale al ditelluride di tungsteno e hanno confermato i loro risultati su una gamma di tensioni applicate e campi magnetici esterni a temperature estremamente basse.

"Questa è la prima volta che lo stesso identico materiale può essere sintonizzato su un isolante topologico o su un superconduttore, " dice Pablo Jarillo-Herrero, il Cecil e Ida Green Professore di Fisica al MIT. "Possiamo farlo con un normale effetto del campo elettrico usando un normale, dielettrici standard, quindi fondamentalmente lo stesso tipo di tecnologia che usi nell'elettronica dei semiconduttori standard."

Nuova classe di materiali

"Questo è il primo di una nuova classe di materiali - isolanti topologici che possono essere sintonizzati elettricamente in superconduttori - che apre molte possibilità che prima c'erano ostacoli significativi da realizzare, " Dice Jarillo-Herrero. "Avere un materiale in cui è possibile eseguire questa operazione senza soluzione di continuità all'interno dello stesso materiale per la transizione tra questo isolante topologico e il superconduttore è qualcosa che è potenzialmente molto attraente".

ditelluride di tungsteno, che è uno dei materiali dicalcogenuri di metalli di transizione, è classificato come semimetallo e conduce elettricità come i metalli in forma sfusa. Le nuove scoperte descrivono in dettaglio che in una forma di cristallo a strato singolo, a temperature da meno di 1 kelvin all'intervallo di azoto liquido (-320,4 gradi Fahrenheit), ditelluride di tungsteno ospita tre fasi distinte:topologicamente isolante, superconduttore, e metallico. Una tensione applicata guida la transizione tra queste fasi, che variano con la temperatura e la concentrazione di elettroni. Nei materiali superconduttori, gli elettroni fluiscono senza resistenza generando calore.

Le nuove scoperte sono state pubblicate online sulla rivista Scienza . Valla Fatemi Ph.D. '18, che ora è un postdoc a Yale, e postdoc Sanfeng Wu, chi è Pappalardo Fellow al MIT, sono co-primi autori del documento con l'autore senior Jarillo-Herrero. I coautori sono lo studente laureato del MIT Yuan Cao; Landry Bretheau Ph.D. '18 dell'École Polytechnique in Francia; Quinn D. Gibson dell'Università di Liverpool nel Regno Unito; Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi del National Institute for Materials Science in Giappone; e Robert J. Cava, professore di chimica alla Princeton University.

Come un filo quantico

Il nuovo lavoro si basa su un rapporto all'inizio di quest'anno dei ricercatori che dimostra l'effetto Hall di spin quantistico (QSH), che è il fenomeno fisico caratteristico alla base degli isolanti topologici bidimensionali, nello stesso materiale ditelluride di tungsteno a strato singolo. Questa corrente di bordo è governata dallo spin degli elettroni piuttosto che dalla loro carica, e gli elettroni di spin opposto si muovono in direzioni opposte. Questa proprietà topologica è sempre presente nel materiale a basse temperature.

Questo effetto Hall di spin quantistico persisteva fino a una temperatura di circa 100 kelvin (-279,67 gradi F). "Quindi è l'isolante topologico 2-D con la temperatura più alta finora, "dice il postdoc Sanfeng Wu, che è stato anche un primo autore del documento precedente. "È molto importante che uno stato quantico interessante come questo sopravviva a temperature elevate per l'uso per le applicazioni".

Questo comportamento, in cui i bordi del materiale ditelluride di tungsteno agiscono come un filo quantico, è stato previsto nel 2014 in un articolo teorico del professore associato di fisica Liang Fu e Ju Li, un professore di scienza e ingegneria nucleare e scienza e ingegneria dei materiali. Si cercano materiali con queste qualità per dispositivi spintronici e di calcolo quantistico.

Sebbene il fenomeno dell'isolamento topologico sia stato osservato fino a 100 kelvin, il comportamento superconduttore nel nuovo lavoro si è verificato a una temperatura molto più bassa di circa 1K.

Questo materiale ha il vantaggio di entrare nello stato superconduttore con una delle densità di elettroni più basse per qualsiasi superconduttore 2-D. "Ciò significa che quella piccola densità di portatori necessaria per renderlo un superconduttore è quella che puoi indurre con i normali dielettrici, con dielettrici regolari, e utilizzando un piccolo campo elettrico, "Spiega Jarillo-Herrero.

Affrontando i risultati del comportamento isolante topologico nel tellururo di tungsteno 2-D nel primo articolo, e i risultati della superconduttività nel secondo, Wu dice, "Questi sono documenti gemelli, ognuno di loro è bello e messo insieme la loro combinazione può essere molto potente." Wu suggerisce che i risultati indicano la strada per lo studio dei materiali topologici 2-D e potrebbero aprire la strada a una nuova base materiale per i computer quantistici topologici.

I cristalli di ditelluride di tungsteno sono stati coltivati ​​alla Princeton University, mentre i cristalli di nitruro di boro sono stati coltivati ​​presso il National Institute for Materials Science in Giappone. Il team del MIT ha costruito i dispositivi sperimentali, ha effettuato le misure elettroniche di trasporto a temperature ultrafredde, e analizzato i dati presso l'Istituto.

Scoperta simultanea

Jarillo-Herrero osserva che questa scoperta che il ditelluride di tungsteno monostrato può essere sintonizzato in un superconduttore utilizzando la nanofabbricazione di semiconduttori standard e tecniche di effetto del campo elettrico è stata realizzata contemporaneamente da un gruppo di collaboratori in competizione, tra cui il professor David Cobden dell'Università di Washington e il professore associato Joshua Folk dell'Università della British Columbia. (Il loro articolo—"Superconduttività indotta da gate in un isolante topologico monostrato"—viene pubblicato online contemporaneamente in Scienza Prima uscita.)

"È stato fatto indipendentemente in entrambi i gruppi, ma entrambi abbiamo fatto la stessa scoperta, " dice Jarillo-Herrero. "È la cosa migliore che può succedere che la tua grande scoperta venga immediatamente riprodotta. Dà ulteriore fiducia alla comunità che questo è qualcosa di molto reale".

Jarillo-Herrero è stato eletto membro dell'American Physical Society all'inizio di quest'anno sulla base dei suoi contributi seminali al trasporto elettronico quantistico e all'optoelettronica in materiali e dispositivi bidimensionali.

Un passo verso l'informatica quantistica

Un'area particolare in cui questa nuova capacità può essere utile è la realizzazione di modi di Majorana all'interfaccia di materiali topologicamente isolanti e superconduttori. Predetto per la prima volta dai fisici nel 1937, I fermioni di Majorana possono essere pensati come elettroni divisi in due parti, ognuna delle quali si comporta come una particella indipendente. Questi fermioni devono ancora essere trovati come particelle elementari in natura, ma possono emergere in alcuni materiali superconduttori vicini alla temperatura dello zero assoluto.

"È interessante di per sé da un punto di vista della fisica fondamentale, e in aggiunta, ha prospettive di interesse per il calcolo quantistico topologico, che è un tipo speciale di calcolo quantistico, " dice Jarillo-Herrero.

L'unicità delle modalità Majorana sta nel loro comportamento esotico quando si scambiano le loro posizioni, un'operazione che i fisici chiamano "intreccio" perché le tracce dipendenti dal tempo di queste particelle che si scambiano sembrano una treccia. Le operazioni di intrecciatura non possono cambiare gli stati quantistici di particelle regolari come elettroni o fotoni, tuttavia l'intreccio delle particelle di Majorana cambia completamente il loro stato quantico. Questa struttura insolita, soprannominata "statistiche non abeliane, " è la chiave per realizzare computer quantistici topologici. È necessario anche un gap magnetico per fissare la modalità Majorana in una posizione.

"Questo lavoro è molto bello, "dice Jason Alicea, professore di fisica teorica al Caltech, che non è stato coinvolto in questa ricerca. "Gli ingredienti di base necessari per l'ingegneria delle modalità Majorana, la superconduttività e il gap degli stati marginali dovuti al magnetismo, sono stati ora dimostrati separatamente in WTe2".

"Inoltre, l'osservazione della superconduttività intrinseca mediante gating è potenzialmente un vantaggio importante per le applicazioni avanzate dei modi Majorana, per esempio., intrecciatura per dimostrare statistiche non abeliane. A tal fine, si può immaginare una progettazione complessa, reti sintonizzabili dinamicamente di stati limite superconduttori di spin quantistico con mezzi elettrostatici." Afferma Alicea. "Le possibilità sono molto eccitanti."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.