Схематическое изображение электронной структуры двумерного дителлурида вольфрама как сверхпроводника (слева) и топологического изолятора (справа)
Sanfeng Wu
Две группы физиков независимо друг от друга обнаружили, что двумерный дителлурид вольфрама при температурах ниже одного кельвина может превращаться из топологического изолятора в сверхпроводник. Этот переход можно проводить контролируемо и обратимо за счет увеличения концентрации электронов в материале при изменении внешнего электрического поля. По словам авторов обоих исследований, опубликованных Science (1, 2), это первый материал, в котором наблюдался такой переход, и в будущем он может использоваться для получения майорановских фермионов или при разработке топологических квантовых компьютеров.
Топологические
изоляторы — материалы, в которых электроны на поверхности и в объеме ведут себя принципиально по-разному. Если
основная часть топологического изолятора, находящаяся вдали от границ, — это диэлектрик или полупроводник,
то на поверхности материала возникает очень
тонкий проводящий слой, в котором носители заряда ведут себя аналогично электронам, например, в графене: их импульс и энергия связаны линейно, и ведут они себя как безмассовые частицы. Устойчивость такой структуры связана с топологической защитой поверхностных электронных состояний, из-за которой они не могут быть разрушены структурными
дефектами или немагнитными примесями.
Помимо
объемных топологических изоляторов, сейчас активно исследуются и двумерные
материалы с аналогичными свойствами. В них топологическая
защита может быть реализована не только
для электронных состояний, но и, например,
для экситонов, а в двумерных метаматериалах — и для фононов. Поскольку топологические
изоляторы, в том числе двумерные, —
весьма перспективные материалы (в частности,
для спиновой электроники), интерес
представляют условия (в первую очередь
— температурный режим, химический
состав, магнитное
и
электрическое поле),
при которых такие электронные состояния возникают и разрушаются, а также — каким образом при этом меняются
физические свойства материала.
Сразу
две группы физиков обнаружили, что один
из двумерных топологических изоляторов
— дителлурид вольфрама, WTe2 — однослойный
полуметалл с гексагональной структурой
(который предлагают использовать, например, в современных многослойных
ван-дер-ваальсовых
структурах) при температурах, очень близких к
абсолютному нулю, может превращаться
из топологического изолятора в
сверхпроводник.
Ученые
из
США, Франции, Великобритании и Японии
под
руководством Пабло Харильо-Эрреро
(Pablo Jarillo-Herrero) из Массачусетского
технологического института обнаружили
этот эффект при исследовании поведения
двумерного дителлурида вольфрама
станадратным четырехэлектродным
методом. В эксперименте небольшой участок двумерного кристалла зажимали
между двумя слоями гексагонального
нитрида бора толщиной
в несколько нанометров. В
четырехэлектродном полевом транзисторе
нитрид бора выполнял функцию диэлектрика,
с помощью которого можно было контролировать
концентрацию носителей заряда, за счет чего при изменении напряжения
затвора концентрацию
электронов физики меняли в диапазоне от 1012 до 1013 электронов на квадратный
сантиметр.
Схема устройства для изучения электронных состояний дителлурида вольфрама в работе Пабло Харильо-Эрреро
Valla Fatemi et al./ Science, 2018
Схема устройства для изучения электронных состояний дителлурида вольфрама в работе Джошуа Фолка
Ebrahim Sajadi et al./ Science, 2018
Оказалось, что при температурах ниже одного кельвина (это
около −272 градусов по Цельсию) и концентрации
электронов около 5·1012 электронов на квадратный сантиметр электронная структура дителлурида
вольфрама резко меняется, и из
топологического изолятора материал
превращается в сверхпроводник —
сопротивление вдали от границ материала
падает с 107 ом до уровня шума.
Фазовая диаграмма электронных состояний двумерного дителлурида вольфрама в завсисмости от температуры и концентрации носителей заряда. QSHI – фаза топологического изолятора. Справа приведены зависимости сопротивления от температуры и проводимости от приложенного напряжения
Valla Fatemi et al./ Science, 2018
Другая группа
физиков из Канады и США под руководством
Джошуа Фолка (Joshua A. Folk) из Университета
Британской Колумбии провела очень
похожий эксперимент, в котором лишь
немного отличалась геометрия транзистора.
В результате им удалось обнаружить
точной такой же переход и более точно
определить температуру перехода. По
словам авторов обеих работ, открытие
было сделано одновременно и независимо
друг от друга.
Авторы исследований
отмечают, что это первый материал, в
котором удалось увидеть переход между состояниями топологического изолятора и сверхпроводника.
При этом процесс переключения между
состояниями полностью обратим. Однако
максимальная температура, при которой можно наблюдать
подобный переход в дителлуриде вольфрама, очень низкая — всего 0,518 кельвина. При этом при
температурах от абсолютного нуля до
температуры кипения жидкого азота
однослойный дителлурид вольфрама может
находиться в трех различных состояниях
и быть либо проводником, либо топологическим
изолятором, либо сверхпроводником.
Физики надеются,
что возможность перехода из состояния
топологического изолятора в состояние
сверхпроводника может быть использована
для получения реальных майорановских
частиц, которые
являются
античастицами по отношению к самим
себе, а
также при разработке
квантовых компьютеров, топологически
защищенных от разрушения квантового
состояния
Напомним,
что в 2017 году группа физиков
из Китая и США впервые обнаружила
состояния, которые ведут себя
как майорановские
частицы. Однако
пока обнаруженные
квазичастицы не связаны напрямую с
поисками реальных майорановских
фермионов.
Александр
Дубов