Uma técnica de preparação de amostra inovadora permitiu aos pesquisadores da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign e da Universidade de Tóquio realizar o estudo mais controlado e sensível até o momento de um isolador topológico (TI) intimamente acoplado a um supercondutor (SC). Os cientistas observaram o efeito de proximidade supercondutora - supercondutividade induzida no TI devido à sua proximidade com o SC - e mediram sua relação com a temperatura e a espessura do TI.

TIs com supercondutividade induzida são de interesse primordial para os físicos porque têm o potencial de hospedar fenômenos físicos exóticos, incluindo o evasivo férmion de Majorana - uma partícula elementar teorizada para ser sua própria antipartícula - e para exibir supersimetria - um fenômeno que vai além do modelo padrão que lançaria luz sobre muitos problemas pendentes na física. TIs supercondutores também representam uma grande promessa para aplicações tecnológicas, incluindo computação quântica topológica e spintrônica.

Supercondutores topológicos de ocorrência natural são raros, e aqueles que foram investigados exibiram lacunas supercondutoras extremamente pequenas e temperaturas de transição muito baixas, limitando sua utilidade para descobrir as propriedades físicas interessantes e comportamentos que foram teorizados.

TIs têm sido usados ​​na engenharia de supercondutores topológicos supercondutores (TI / SC), crescendo TIs em um substrato supercondutor. Desde sua descoberta experimental em 2007, TIs intrigou os físicos da matéria condensada, e uma enxurrada de pesquisas teóricas e experimentais ocorrendo em todo o mundo explorou as propriedades da mecânica quântica dessa classe extraordinária de materiais. Esses materiais 2D e 3D são isolantes em seu volume, mas conduzem eletricidade em suas bordas ou superfícies externas por meio de estados eletrônicos de superfície especiais que são protegidos topologicamente, o que significa que não podem ser facilmente destruídos por impurezas ou imperfeições no material.

Mas a engenharia de tais sistemas TI / SC por meio de filmes finos de TI crescentes em substratos supercondutores também se mostrou um desafio, dados vários obstáculos, incluindo incompatibilidade de estrutura de rede, reações químicas e defeitos estruturais na interface, e outros fatores ainda mal compreendidos.

Agora, uma nova técnica de cultivo de amostra desenvolvida na Universidade de I. superou esses obstáculos. Desenvolvido pelo professor de física James Eckstein em colaboração com o professor de física Tai-Chang Chiang, a nova técnica de crescimento de amostra "flip-chip" TI / SC permitiu aos cientistas produzir filmes finos em camadas do bem estudado seleneto de bismuto TI sobre o nióbio SC prototípico - apesar de suas estruturas de rede cristalina incompatíveis e da natureza altamente reativa de nióbio.

Esses dois materiais, tomados em conjunto, são ideais para investigar aspectos fundamentais da física TI / SC, de acordo com Chiang:"Este é sem dúvida o exemplo mais simples de um TI / SC em termos de estruturas eletrônicas e químicas. E o SC que usamos tem a temperatura de transição mais alta entre todos os elementos da tabela periódica, o que torna a física mais acessível. Isso é realmente ideal; fornece uma forma mais simples, base mais acessível para explorar os fundamentos da supercondutividade topológica, "Comentários de Chiang.

O método permite um controle muito preciso sobre a espessura da amostra, e os cientistas analisaram uma gama de 3 a 10 camadas TI, com 5 camadas atômicas por camada TI. As medições da equipe mostraram que o efeito de proximidade induz supercondutividade tanto nos estados de bulk quanto nos estados de superfície topológicos dos filmes TI. Chiang enfatiza, o que eles viram dá novos insights sobre o emparelhamento supercondutor dos estados de superfície topológicos com polarização de spin.

"Os resultados desta pesquisa não são ambíguos. Vemos o sinal claramente, "Chiang resume." Investigamos a lacuna supercondutora em função da espessura do filme TI e também em função da temperatura. Os resultados são muito simples:a lacuna desaparece conforme você sobe acima da temperatura de transição do nióbio. Isso é bom - é simples. Mostra os trabalhos de física. Mais interessante é a dependência da espessura do filme. Não surpreendentemente, vemos que a lacuna supercondutora reduz para aumentar a espessura do filme TI, mas a redução é surpreendentemente lenta. Esta observação levanta uma questão intrigante sobre como o emparelhamento na superfície do filme é induzido pelo acoplamento na interface. "

Chiang credita a Eckstein o desenvolvimento do método engenhoso de preparação de amostras. Envolve a montagem da amostra na ordem inversa, em cima de um substrato sacrificial de óxido de alumínio, comumente conhecida como safira mineral. Os cientistas são capazes de controlar o número específico de camadas de cristais TI cultivadas, cada um com espessura atômica quíntupla. Em seguida, uma camada supercondutora policristalina de nióbio é depositada por pulverização catódica no topo do filme de TI. A amostra é então virada e a camada sacrificial que serviu como substrato é desalojada batendo em um "pino de clivagem". As camadas são clivadas precisamente na interface do TI e do óxido de alumínio.

Eckstein explica, "A técnica de 'flip-chip' funciona porque as camadas não estão fortemente ligadas - são como uma pilha de papel, onde há força na pilha, mas você pode separar as camadas facilmente. Aqui, temos uma rede triangular de átomos, que vem em pacotes de cinco - essas camadas são fortemente unidas. As próximas cinco camadas ficam no topo, mas estão fracamente ligados aos cinco primeiros. Acontece que, o elo mais fraco está na interface substrato-TI. Quando clivado, este método dá uma superfície pura, sem contaminação por exposição ao ar. "

A clivagem foi realizada em vácuo ultra-alto, dentro de um instrumento altamente sensível no Instituto de Física do Estado Sólido da Universidade de Tóquio, capaz de espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido (ARPES) em uma faixa de temperaturas.

Chiang reconhece, "As características supercondutoras ocorrem em escalas de energia muito pequenas - requer uma resolução de energia muito alta e temperaturas muito baixas. Esta parte do experimento foi concluída por nossos colegas na Universidade de Tóquio, onde tenham os instrumentos com sensibilidade para obter a resolução que precisamos para esse tipo de estudo. Não poderíamos ter feito isso sem esta colaboração internacional. "

"Este novo método de preparação de amostra abre muitos novos caminhos na pesquisa, em termos de física exótica, e, a longo prazo, em termos de possíveis aplicações úteis - potencialmente incluindo a construção de um supercondutor melhor. Isso permitirá a preparação de amostras usando uma ampla gama de outros TIs e SCs. Também pode ser útil na miniaturização de dispositivos eletrônicos, e na computação spintrônica, o que exigiria menos energia em termos de dissipação de calor, "Conclui Chiang.

Eckstein acrescenta, "Há muito entusiasmo sobre isso. Se pudermos fazer um TI supercondutor, previsões teóricas nos dizem que poderíamos encontrar uma nova excitação elementar que faria um bit quântico topológico ideal, ou qubit. Ainda não chegamos lá, e ainda há muitas coisas com que se preocupar. Mas seria um qubit cuja função de onda mecânica quântica seria menos suscetível a perturbações locais que poderiam causar defasagem, atrapalhando os cálculos. "

Essas descobertas foram publicadas online em 27 de abril de 2018 no jornal Avanços da Ciência .