Физики увидели топологическую сверхпроводимость в материале на основе железа

Физики из Японии, Китая и США экспериментально подтвердили теоретически предсказанные топологические сверхпроводящие состояния на поверхности материала FeTe_0,55Se_0,45 и измерили величину их энергетической щели. По словам ученых, это поможет разработать квантовый компьютер, в котором состояния будут топологически защищены от распада, также это позволит подробно исследовать связанные майорановские состояния. Статья опубликована в Science.

Построить по-настоящему большие квантовые компьютеры ученым мешает декогеренция — неизбежное разрушение квантового состояния кубитов в результате взаимодействия друг с другом или со считывающим устройством. Конечно, физики уже придумали несколько способов, которые позволяют бороться с этой проблемой — например, ученые из IBM еще в 2015 году предложили схему процессора, который автоматически отслеживает ошибки, а спустя некоторое время этот способ проверили на практике. Наиболее оптимальный механизм коррекции ошибок, предложенный Алексеем Китаевым («торовый код», toric code) использовала при создании своего недавно анонсированного 72-кубитного компьютера группа ученых из Google. К сожалению, ни один из предложенных механизмов не позволяет избавиться от ошибок полностью. На практике вероятность ошибиться во время вычислений составляет около одного процента даже для самых совершенных квантовых компьютеров.

Тем не менее, есть еще один способ бороться с декогеренцией — построить такую систему, в которой состояния кубитов будут «защищены» некоторыми физическими законами, запрещающими им распадаться. Например, в топологическом сверхпроводнике должны сохраняться топологические инварианты сверхпроводящих состояний, и это служит эффективной «защитой» от их распада. Вообще говоря, топологические сверхпроводники начали исследовать совсем недавно, но ученые уже научились получать такие материалы. К сожалению, все они сложны в изготовлении и могут существовать только при очень низких температурах.

Группа ученых под руководством Пэна Чжана (Peng Zhang) и Шика Шина (Shik Shin) показала, что на поверхности материала на основе железа (FeTe_0,55Se_0,45) возникают топологические сверхпроводящие состояния, предсказанные ранее теоретически. При атмосферном давлении этот материал становится сверхпроводником при температуре около 15 кельвинов, а при определенных условиях температура перехода может увеличиться в два раза и достигнуть 30 кельвинов.

Чтобы доказать, что исследуемый материал обладает поверхностной топологической сверхпроводимостью, нужно увидеть в нем определенные явления. Во-первых, с помощью спектроскопических исследований нужно убедиться в том, что в материале возникают сверхпроводящие дираковские состояния. Подобные квазичастицы возникают, например, в графене, они аналогичны обычным электронам, которые движутся с большой скоростью, и подчиняются уравнению Дирака. Во-вторых, необходимо показать, что сверхпроводящие состояния поляризованы, то есть их спины «заперты» в направлении, перпендикулярном поверхности материала. В-третьих, следует проверить, что при температуре ниже критической состояния имеют энергетическую щель, величина которой не зависит от направления распространения квазичастиц.

Для начала ученые измерили энергетический спектр возникающих состояний, направляя на образец электромагнитные волны с s- и p-поляризацией. В p-поляризованных волнах электрическое поле лежит в плоскости, которую образует направление распространения волны и нормаль к поверхности, а у s-волн поле перпендикулярно этой плоскости. В результате в спектре p-волн исследователям удалось разглядеть конус Дирака (Dirac cone), который указывает на существование поверхностных дираковских частиц. В то же время, в спектре s-волн наблюдалась параболическая энергетическая зависимость, отвечающая квазичастицам из объема сверхпроводника.

Затем физики проверили, что возникающие сверхпроводящие состояния поляризованы. Для этого они исследовали интенсивность поглощенного света для двух срезов материала, отвечающих состояниям с противоположно направленными импульсами. На полученных экспериментальных зависимостях спины состояний также были направлены в противоположные стороны, что совпало с теоретическими предсказаниями и отвечало «запиранию» спина. Для состояний в объеме сверхпроводника ученые такую связь не заметили.

Наконец, ученые убедились в том, что при понижении температуры в спектре поверхностных состояний возникает энергетическая щель — это отвечало увеличению числа поглощенных фотонов при определенной энергии. Оказалось, что величина энергетической щели для поверхностных состояний составляет примерно 1,8 миллиэлектронвольт, что меньше аналогичной щели в спектре объемных электронов (4,2 миллиэлектронвольт) или дырок (2,5 миллиэлектронвольт).

Таким образом, в исследуемом материале действительно возникали сверхпроводящие поверхностные состояния. Ранее их существование подтвердить не удавалось из-за низкого разрешения спектроскопических инструментов. Ученые считают, что из-за возникающей естественным путем топологической сверхпроводимости этот материал будет полезен для создания квантовых компьютеров. Также они надеются увидеть и подробно исследовать в нем связанные майорановские состояния — квазичастицы, которые являются античастицами для самих себя.

Впервые состояния, которые ведут себя как майорановские частицы, обнаружили в июле прошлого года физики из Китая и США. Для этого они соединили слои сверхпроводящего ниобия и топологического изолятора с аномальным эффектом Холла, а затем наблюдали за колебаниями протекающего через образец тока при изменении внешнего магнитного поля.

Дмитрий Трунин

Источник: nplus1.ru

Комментарии: