電流在二碲化鉬的邊緣無阻力流動

物理學家報告,二碲化鉬材料可以承載超導電流,該電流被限制在其邊緣流動。

電流在二碲化鉬的邊緣無阻力流動

超導體變得前衛。

科學家們第一次發現了一種超導電流,它沿著材料的邊緣行進,就像一團螞蟻沿著餐盤的邊緣爬行而沒有進入其中間。

通常,電流流過而沒有任何能量損失的這種超導電流會滲透到整個材料中。但是物理學家奈Phuan Ong和他的同事在5月1日的《Science》雜誌上報告說,在冷卻至絕對零附近的二碲化鉬薄板中,內部和邊緣構成了兩個截然不同的超導體。普林斯頓大學的Ong說,這兩種超導體“基本上互相忽略”。

外部和內部之間的這種區別使二碲化鉬成為所謂的拓撲材料的一個例子。它們的行為與拓撲學的數學領域緊密相關,在拓撲學中,只有在不進行切割或融合就無法成型為另一種形狀的情況下,才認為形狀是不同的。在拓撲絕緣體中,電流可以在材料的表面上流動,但不能在內部流動,就像覆有錫箔的馬鈴薯一樣。

同樣,拓撲超導體在其內部也具有超導體,並且在其表面上具有不同的行為。儘管一些研究人員懷疑拓撲超導體也可能在其邊緣承載超導電流,但尚未發現。德國德累斯頓的馬克斯·普朗克固體化學物理研究所的物理化學家Claudia Felser說,但是這一新發現“極具說服力”。

二碲化鉬是一種類似Weyl半金屬。它不尋常的特性可能意味著它可能藏有馬里亞納費米子,這是科學家希望用來製造更好的量子計算機的材料中的干擾。此類拓撲量子計算機有望抵抗損害量子計算的抖動。

在實驗中,Ong及其同事逐漸提高了材料上的磁場。他們同時測量了在失去超導狀態之前可以增加多少電流,該值稱為臨界電流。隨著磁場的增加,臨界電流振盪,以重複的模式變大,變小,然後又變大,這是邊緣超導體的標誌。

這種振盪是由超導體奇怪的物理現象引起的,在這種現象中,電子會形成一種叫做“庫珀對”的運動形式。這些粒子對作為一個統一的整體,都具有相同的量子態或波函數,這決定了在特定位置發現粒子的可能性。

電流在二碲化鉬的邊緣無阻力流動

超導電流(白色箭頭)在磁場中繞著一層二碲化鉬薄膜(如右圖所示)的邊緣流動(黑色箭頭)。在一項稱為Little-Parks實驗的經典研究中,在超導體環(左)中也有類似的效果。

Ong說,波函數的一種叫做相位的性質類似於懸掛在房間邊緣的派對綵帶的扭曲。如果連接在兩端,則派對綵帶可以扭曲一到兩次,但不能扭曲1.2倍,因為兩端無法對齊。同樣,這個階段必須在材料周圍做大量的扭曲。不斷增加的磁場與扭曲約束之間的相互作用導致臨界電流振盪。

1960年代的經典研究稱為Little-Parks實驗,它與這項新研究密切相關。在這項研究中,形狀像圓柱體的超導體在不斷變化的磁場中表現出相關的振盪。但在Ong及其同事的實驗中,超導電流圍繞的是固體材料而不是物理圓柱體的邊緣。

伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的物理學家Smitha Vishveshwara說:“這是一種評估是否存在邊緣電流的非常聰明而優美的方法。”,他沒有參與這項研究。


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