Estudo observa a coexistência de estados de borda topológicos e supercondutividade em filmes de stanene

Crédito:Zhao et al.

Stanene é um isolante topológico composto por átomos normalmente dispostos em um padrão semelhante ao do grafeno. Verificou-se que os filmes de Stanene são promissores para a realização de inúmeras fases intrigantes da física, incluindo a fase Hall do spin quântico e a supercondutividade intrínseca.
Alguns estudos teóricos também sugeriram que esses filmes poderiam hospedar supercondutividade topológica, um estado que é particularmente valioso para o desenvolvimento da tecnologia de computação quântica. Até agora, no entanto, os estados de borda topológicos em stanene não foram observados de forma confiável e consistente em ambientes experimentais.

Pesquisadores da Universidade Jiao Tong de Xangai, da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, da Universidade de Henan, da Universidade de Zhengzhou e de outros institutos na China demonstraram recentemente a coexistência de estados de borda topológicos e supercondutividade em filmes de stanene de uma a cinco camadas colocados no Bi (111) substrato. Suas observações, descritas em um artigo publicado em Physical Review Letters , pode ter implicações importantes para o desenvolvimento de dispositivos quânticos baseados em Stanene.

"O presente trabalho é um passo mais recente em nossa pesquisa sistemática após nosso trabalho anterior publicado em 2015, que representou o primeiro relatório sobre o crescimento bem-sucedido de uma camada monoatômica de staneno (ML)", Jinfeng Jia, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse Phys.org. "O desafio era, naquele momento, o Bi₂ Te₃ substrato impõe uma tensão compressiva à camada de estano, levando a uma sobreposição desfavorável entre suas bandas de condução e valência."

Com base em descobertas anteriores, a equipe de Jia e outros grupos de pesquisa em todo o mundo têm tentado realizar a supercondutividade topológica em staneno colocado em vários substratos com restrições de rede maiores do que Bi₂ Te₃ , pois estes poderiam reter a topologia não trivial de stanene. No entanto, até agora, muito poucos tiveram sucesso.

Para construir tecnologias eficientes de computação quântica com base em filmes de stanene, os físicos terão primeiro que identificar um substrato que possa ser usado para cultivar stanene estável com propriedades topológicas não triviais e supercondutividade intrínseca. Isso é o que Jia e seus colegas se propuseram a fazer em seu artigo recente.

Crédito:Zhao et al.

"O objetivo final do nosso artigo recente é alcançar o supercondutor topológico em stanene, um sistema de material de elemento único", disse Jia. "Tal substrato desejável foi identificado por nosso estudo teórico mais recente, apontando para o substrato Bi(111)."

Em seus experimentos, Jia e seus colegas coletaram medições usando microscopia de varredura de túnel e espectroscopia a uma temperatura ultrabaixa de 400mK. Esses métodos permitiram detectar estados de borda topológicos localizados em suas amostras de estanos na escala nanométrica e confirmar o emparelhamento supercondutor no material.

"Nossos cálculos de primeiros princípios confirmaram ainda mais a topologia não trivial desses filmes e a importância vital do acoplamento orbital spin significativo fornecido pelo substrato Bi(111)", explicou Jia. "Nós também mostramos que o hidrogênio é indispensável para alterar o modo de crescimento para crescer suavemente e camada por camada."

O trabalho recente desta equipe de pesquisadores demonstra conclusivamente a coexistência de estados de borda topológicos e supercondutividade em filmes de estano. Em contraste com outras realizações anteriores desses estados, em sua amostra, essas duas propriedades são englobadas em um sistema de elemento único, em vez de em uma heteroestrutura complicada.

Os curtos comprimentos de penetração bilateral dos estados de borda observados por Jia e seus colegas são particularmente favoráveis para o desenvolvimento de dispositivos condutores de baixa perda com canais de borda densos. Além disso, a plataforma de filme de stanene identificada pelos pesquisadores poderia permitir o desenvolvimento de dispositivos topológicos de computação quântica baseados em menos camadas de stanene.

"Para o sistema stanene/Bi (111), o próximo passo é identificar a simetria de emparelhamento de sua supercondutividade e realizar os modos zero de Majorana, criando limites para o canal de borda de loop fechado", acrescentou Jia. “O objetivo do nosso grupo, a longo prazo, é realizar a operação de trança dos modos Majorana e até mesmo avançar para a computação quântica topológica”. + Explorar mais