电流在二碲化钼的边缘无阻力流动

物理学家报告,二碲化钼材料可以承载超导电流,该电流被限制在其边缘流动。

电流在二碲化钼的边缘无阻力流动

超导体变得前卫。

科学家们第一次发现了一种超导电流,它沿着材料的边缘行进,就像一团蚂蚁沿着餐盘的边缘爬行而没有进入其中间。

通常,电流流过而没有任何能量损失的这种超导电流会渗透到整个材料中。但是物理学家奈Phuan Ong和他的同事在5月1日的《Science》杂志上报告说,在冷却至绝对零附近的二碲化钼薄板中,内部和边缘构成了两个截然不同的超导体。普林斯顿大学的Ong说,这两种超导体“基本上互相忽略”。

外部和内部之间的这种区别使二碲化钼成为所谓的拓扑材料的一个例子。它们的行为与拓扑学的数学领域紧密相关,在拓扑学中,只有在不进行切割或融合就无法成型为另一种形状的情况下,才认为形状是不同的。在拓扑绝缘体中,电流可以在材料的表面上流动,但不能在内部流动,就像覆有锡箔的马铃薯一样。

同样,拓扑超导体在其内部也具有超导体,并且在其表面上具有不同的行为。尽管一些研究人员怀疑拓扑超导体也可能在其边缘承载超导电流,但尚未发现。德国德累斯顿的马克斯·普朗克固体化学物理研究所的物理化学家Claudia Felser说,但是这一新发现“极具说服力”。

二碲化钼是一种类似Weyl半金属。它不寻常的特性可能意味着它可能藏有马里亚纳费米子,这是科学家希望用来制造更好的量子计算机的材料中的干扰。此类拓扑量子计算机有望抵抗损害量子计算的抖动。

在实验中,Ong及其同事逐渐提高了材料上的磁场。他们同时测量了在失去超导状态之前可以增加多少电流,该值称为临界电流。随着磁场的增加,临界电流振荡,以重复的模式变大,变小,然后又变大,这是边缘超导体的标志。

这种振荡是由超导体奇怪的物理现象引起的,在这种现象中,电子会形成一种叫做“库珀对”的运动形式。这些粒子对作为一个统一的整体,都具有相同的量子态或波函数,这决定了在特定位置发现粒子的可能性。

电流在二碲化钼的边缘无阻力流动

超导电流(白色箭头)在磁场中绕着一层二碲化钼薄膜(如右图所示)的边缘流动(黑色箭头)。在一项称为Little-Parks实验的经典研究中,在超导体环(左)中也有类似的效果。

Ong说,波函数的一种叫做相位的性质类似于悬挂在房间边缘的派对彩带的扭曲。如果连接在两端,则派对彩带可以扭曲一到两次,但不能扭曲1.2倍,因为两端无法对齐。同样,这个阶段必须在材料周围做大量的扭曲。不断增加的磁场与扭曲约束之间的相互作用导致临界电流振荡。

1960年代的经典研究称为Little-Parks实验,它与这项新研究密切相关。在这项研究中,形状像圆柱体的超导体在不断变化的磁场中表现出相关的振荡。但在Ong及其同事的实验中,超导电流围绕的是固体材料而不是物理圆柱体的边缘。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的物理学家Smitha Vishveshwara说:“这是一种评估是否存在边缘电流的非常聪明而优美的方法。”,他没有参与这项研究。


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