物理学者は、2次元トポロジカル絶縁体が超伝導体になることを教えてきました

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ビデオ: 【学部生向け】トポロジーと物理〜トポロジカル絶縁体とK理論〜 2022, 12月
物理学者は、2次元トポロジカル絶縁体が超伝導体になることを教えてきました
物理学者は、2次元トポロジカル絶縁体が超伝導体になることを教えてきました
Anonim
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超伝導体(左)とトポロジカル絶縁体(右)としての二次元二テルル化タングステンの電子構造の概略図

物理学者の2つのグループは、1ケルビン未満の温度で2次元の二テルル化タングステンがトポロジカル絶縁体から超伝導体に変化する可能性があることを独自に発見しました。この遷移は、外部電界の変化に伴って材料内の電子の濃度を増加させることにより、制御された可逆的な方法で実行できます。 Science(1、2)が発表した両方の研究の著者によると、これはそのような遷移が観察された最初の材料であり、将来的にはマヨラナフェルミ粒子の取得やトポロジカル量子コンピューターの開発に使用できます。 。

トポロジカル絶縁体は、表面とバルクの電子の振る舞いが根本的に異なる材料です。境界から遠く離れたトポロジカル絶縁体の主要部分が誘電体または半導体である場合、材料の表面に非常に薄い導電層が現れ、電荷キャリアが電子と同様に動作します(グラフェンなど)。 :それらの運動量とエネルギーは線形に関連しており、それら自体が質量のない粒子のようになります。このような構造の安定性は、表面の電子状態のトポロジー的保護に関連しているため、構造上の欠陥や非磁性不純物によって破壊することはできません。

バルクトポロジカル絶縁体に加えて、同様の特性を持つ二次元材料が活発に研究されています。それらの中で、トポロジー的保護は、電子状態だけでなく、例えば、励起子、および二次元メタマテリアル(フォノン)に対しても実現することができます。二次元を含むトポロジカル絶縁体は(特にスピンエレクトロニクスにとって)非常に有望な材料であるため、そのような電子状態が発生する条件(まず第一に、温度レジーム、化学組成、磁場および電場)は破壊されたものは興味深いものです。また、材料の物理的特性がどのように変化するかについても説明します。

物理学者の2つのグループは、2次元トポロジカル絶縁体の1つである二テルル化タングステンWTe2が、六角形構造(たとえば、現代の多層ファンデルワールス構造での使用が提案されている)を持つ単層半金属であることをすぐに発見しました。絶対零度に非常に近い温度は、トポロジカル絶縁体から超伝導体に変化する可能性があります。

マサチューセッツ工科大学のPabloJarillo-Herreroが率いる米国、フランス、英国、日本の科学者は、標準的な4電極法を使用して2次元二テルル化タングステンの挙動を研究したときにこの効果を発見しました。実験では、2次元結晶の小さなセクションが数ナノメートルの厚さの六方晶窒化ホウ素の2つの層の間にクランプされました。 4電極電界効果トランジスタでは、窒化ホウ素が誘電体として機能し、その助けを借りて電荷キャリアの濃度を制御することができました。これにより、ゲート電圧を変更すると、物理学の電子濃度が1平方センチメートルあたり1012から1013電子の範囲で変化しました。

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PabloJarillo-Herreroの研究における二テルル化タングステンの電子状態を研究するための装置の図

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JoshuaFolkの研究における二テルル化タングステンの電子状態を研究するための装置の図

1ケルビン(これは摂氏約-272度)未満の温度と1平方センチメートルあたり約5×1012電子の電子濃度で、二テルル化タングステンの電子構造が劇的に変化し、材料がトポロジカル絶縁体から超伝導体-抵抗は107オームからノイズレベルまで材料境界から遠く離れています。

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温度と電荷担体の濃度の関数としての二次元二テルル化タングステンの電子状態の状態図。 QSHI-トポロジカルアイソレータフェーズ。右側は、抵抗の温度依存性と導電率の印加電圧依存性です。

ブリティッシュコロンビア大学のJoshuaA。Folkが率いるカナダと米国の別の物理学者グループは、トランジスタの形状がわずかに異なるだけの非常に類似した実験を実施しました。その結果、彼らはまったく同じ転移を検出し、転移温度をより正確に決定することができました。両方の作品の作者によると、発見は同時にそして互いに独立して行われました。

研究の著者は、これがトポロジカル絶縁体と超伝導体の状態間の遷移を見ることができた最初の材料であると述べています。この場合、状態を切り替えるプロセスは完全に可逆的です。ただし、二テルル化タングステンでこのような遷移が観察される最高温度は非常に低く、わずか0.518ケルビンです。この場合、絶対零度から液体窒素の沸点までの温度で、単層二テルル化タングステンは3つの異なる状態になり、導体、トポロジカル絶縁体、または超伝導体のいずれかになります。

物理学者は、トポロジカル絶縁体の状態から超伝導体の状態への遷移の可能性を利用して、トポロジカルに保護された量子コンピューターの開発だけでなく、それ自体に関連する反粒子である実際のマヨラナ粒子を取得できることを望んでいます。量子状態の破壊

2017年に、中国と米国の物理学者のグループが、マヨラナ粒子のように振る舞う州を最初に発見したことを思い出してください。しかし、これまでのところ、発見された準粒子は、実際のマヨラナフェルミ粒子の探索に直接関係していません。

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