Исследователи Массачусетского технологического института обнаружили, что в двумерном дителлуриде вольфрама могут быть выбраны два различных состояния вещества – топологический изолятор и сверхпроводник. Фото: Санфэн Ву

Транзистор на основе двумерного материала вольфрамового дителлурида (WTe2), помещенный между нитридом бора, может переключаться между двумя различными электронными состояниями – одно, которое проводит ток только по его краям, делая его топологическим изолятором, и одно, которое проводит ток без сопротивления, сделав его сверхпроводником, продемонстрировали исследователи из MIT и коллеги из четырех других учреждений.

Используя измерения с четырьмя датчиками, стандартную квантовую электронную транспортную технику для измерения электронного поведения материалов, исследователи нанесли на график токонесущую способность и характеристики сопротивления двумерного вольфрамового транзистора с дителлуридом и подтвердили свои результаты в диапазоне приложенных напряжений и внешних магнитные поля при экстремально низких температурах.

«Впервые тот же материал может быть настроен либо на топологический изолятор, либо на сверхпроводник», – говорит Пабло Харилло-Эрреро, профессор физики Сесила и Иды Грин в Массачусетском технологическом институте. «Мы можем сделать это с помощью эффекта обычного электрического поля, используя обычные стандартные диэлектрики, поэтому в основном это тот же тип технологии, который вы используете в стандартной полупроводниковой электронике».

Новый класс материалов

«Это первый из нового класса материалов – топологических изоляторов, которые могут быть электрически настроены на сверхпроводники – которые открывают много возможностей, которые прежде были существенными препятствиями для реализации», – говорит Харилло-Эрреро. «Наличие одного материала, где вы можете сделать это плавно в одном и том же материале для перехода между этим топологическим изолятором и сверхпроводником, является чем-то, что потенциально очень привлекательно».

Дителлурид вольфрама, который является одним из дихалькогенидных материалов переходного металла, классифицируется как полуметалл и проводит электричество как металлы в объемном виде. Новые данные показывают, что в однослойной кристаллической форме при температуре от менее 1 кельвина до диапазона жидкого азота (-320,4 градуса по Фаренгейту) дителлурид вольфрама содержит три различные фазы: топологически изолирующая, сверхпроводящая и металлическая. Приложенное напряжение управляет переходом между этими фазами, которые меняются в зависимости от температуры и концентрации электронов. В сверхпроводящих материалах электроны текут без сопротивления, не выделяя тепла.

Новые результаты были опубликованы онлайн в журнале Science . Валла Фатеми, доктор философии '18, который сейчас является постдоком в Йельском университете, и постдок Санфенг Ву, который является научным сотрудником Паппалардо в Массачусетском технологическом институте, являются соавторами статьи вместе со старшим автором Джарилло-Эрреро. Соавторы – аспирант Массачусетского технологического института Юань Цао; Ландри Брето, доктор философии 18 лет Политехнической школы во Франции; Куинн Д. Гибсон из Университета Ливерпуля в Великобритании; Кенджи Ватанабе и Такаши Танигучи из Национального института материаловедения в Японии; и Роберт Дж. Кава, профессор химии в Принстонском университете.

Как квантовый провод

Новая работа основана на отчете, опубликованном ранее в этом году исследователями, демонстрирующими квантовый спиновый эффект Холла (QSH), который является явлением физики подписи, лежащим в основе двумерных топологических изоляторов, в том же однослойном материале дителлурида вольфрама. Этот краевой ток определяется спином электронов, а не их зарядом, и электроны противоположного спина движутся в противоположных направлениях. Это топологическое свойство всегда присутствует в материале при низких температурах.

Этот квантовый спиновый эффект Холла сохранялся до температуры около 100 Кельвинов (-279,67 градусов по Фаренгейту). «Таким образом, это топологический 2D-изолятор с самой высокой температурой», – говорит постдок Санфэн Ву, который также был первым автором более ранней статьи. «Для такого интересного квантового состояния, как это, очень важно выжить при высоких температурах для использования в приложениях».

Такое поведение, при котором кромки материала вольфрамового дителлурида действуют как квантовая проволока, было предсказано в 2014 году в теоретической статье доцента физики Лян Фу и Джу Ли, профессора ядерной науки и техники, материаловедения и инженерии. Материалы с этими качествами ищутся для спинтронных и квантовых вычислительных устройств.

Хотя топологическое изоляционное явление наблюдалось до 100 Кельвинов, сверхпроводящее поведение в новой работе имело место при гораздо более низкой температуре, около 1К.

Исследователи Массачусетского технологического института

Исследователи Массачусетского технологического института Санфенг Ву (слева), постдок в Массачусетском технологическом институте, и Пабло Харилло-Эрреро, профессор физики Сесила и Иды Грин, впервые продемонстрировали в одном материале контролируемое появление двух разных состояний вещества – топологического изолятора и сверхпроводник. В их экспериментах использовался двумерный дителлурид вольфрама. Фото: Дени Пайсте / Лаборатория материаловедения

Этот материал имеет то преимущество, что он входит в сверхпроводящее состояние с одной из самых низких плотностей электронов для любого двумерного сверхпроводника. «Это означает, что малая плотность носителей, необходимая для того, чтобы сделать ее сверхпроводником, является той, которую вы можете индуцировать с помощью обычных диэлектриков, с обычными диэлектриками и с использованием небольшого электрического поля», – объясняет Джарилло-Эрреро.

Обращаясь к выводам о топологическом изолирующем поведении в двумерном теллуриде вольфрама в первой статье и к выводам о сверхпроводимости во второй, У говорит: «Это двойные бумаги, каждая из которых прекрасна, и их сочетание может быть очень мощным. «. Ву предполагает, что результаты указывают путь для исследования двумерных топологических материалов и могут привести к созданию новой материальной основы для топологических квантовых компьютеров.

Кристаллы дителлурида вольфрама выращивались в Принстонском университете, а кристаллы нитрида бора – в Национальном институте материаловедения в Японии. Команда MIT создала экспериментальные устройства, провела электронные транспортные измерения при сверхнизких температурах и проанализировала данные в Институте.

Одновременное открытие

Jarillo-Herrero отмечает, что это открытие того, что монослой вольфрамового дителлурида может быть настроен на сверхпроводник с использованием стандартной полупроводниковой нанотехнологии и методов воздействия на электрическое поле, было одновременно реализовано конкурирующей группой сотрудников, включая профессора Дэвида Кобдена из Университета Вашингтона и доцента Джошуа Фолка в университете Британской Колумбии. (Их статья – «Сверхпроводимость, вызванная затвором в однослойном топологическом изоляторе» – в то же время публикуется онлайн в журнале Science First Release.)

«Это было сделано независимо в обеих группах, но мы оба сделали одно и то же открытие», – говорит Харилло-Эрреро. «Это лучшее, что может случиться, если ваше большое открытие немедленно будет воспроизведено. Это придает сообществу дополнительную уверенность в том, что это нечто очень реальное».

Jarillo-Herrero был избран членом Американского физического общества в начале этого года на основе его оригинального вклада в квантовый электронный транспорт и оптоэлектронику в двумерных материалах и устройствах.

Шаг к квантовым вычислениям

Особой областью, где эта новая возможность может быть полезна, является реализация режимов Майорана на границе раздела топологически изолирующих и сверхпроводящих материалов. Впервые предсказанные физиками в 1937 году, майорановские фермионы можно представить как электроны, разделенные на две части, каждая из которых ведет себя как независимая частица. Эти фермионы еще не найдены в природе как элементарные частицы, но могут возникать в некоторых сверхпроводящих материалах вблизи абсолютного нуля температуры.

«Это само по себе интересно с точки зрения фундаментальной физики, и, кроме того, у него есть перспективы представлять интерес для топологических квантовых вычислений, которые представляют собой особый тип квантовых вычислений», – говорит Джарилло-Эрреро.

Уникальность мод Майораны заключается в их экзотическом поведении, когда кто-то меняет свои позиции, – эту операцию физики называют «плетением», потому что зависящие от времени следы этих обменных частиц выглядят как коса. Операции плетения не могут изменить квантовые состояния обычных частиц, таких как электроны или фотоны, однако плетение майорановских частиц полностью меняет их квантовое состояние. Это необычное свойство, названное «неабелевой статистикой», является ключом к реализации топологических квантовых компьютеров. Магнитный зазор также необходим для закрепления режима Майорана в определенном месте.

«Эта работа довольно красивая», – говорит Джейсон Алисея, профессор теоретической физики в Калифорнийском технологическом институте, который не принимал участия в этом исследовании. «Основные ингредиенты, необходимые для создания мод Майораны – сверхпроводимость и разрыв краевых состояний с помощью магнетизма – теперь отдельно продемонстрированы в WTe2».

Кроме того, наблюдение внутренней сверхпроводимости путем стробирования потенциально является главным благом для продвинутых применений мод Майораны, например, плетения для демонстрации неабелевой статистики. С этой целью можно представить создание сложных, динамически перестраиваемых сетей сверхпроводящего квантового спина. – Краевые состояния стенок электростатическим способом. " Алиса говорит. «Возможности очень захватывающие».

По материалам phys.org