Một cách mới để kết hợp hai vật liệu có tính chất điện đặc biệt — chất siêu dẫn đơn lớp và chất cách điện tôpô — cung cấp nền tảng tốt nhất cho đến nay để khám phá một dạng siêu dẫn khác thường được gọi là siêu dẫn tôpô.
Sự kết hợp này có thể cung cấp cơ sở cho các máy tính lượng tử cấu trúc liên kết ổn định hơn so với các đối tác truyền thống của chúng.
>> Tham khảo: Trí tuệ nhân tạo giúp tăng tốc nghiên cứu vật liệu.
Chất siêu dẫn – được sử dụng trong nam châm mạnh, mạch kỹ thuật số và thiết bị hình ảnh – cho phép dòng điện chạy qua mà không có điện trở, trong khi chất cách điện tôpô là màng mỏng chỉ dày vài nguyên tử hạn chế chuyển động của các electron đến các cạnh của chúng, điều này có thể dẫn đến Tính chất độc đáo.
Một nhóm do các nhà nghiên cứu tại Penn State đứng đầu đã mô tả cách họ ghép nối hai vật liệu này trong một bài báo đăng ngày 27 tháng 10 trên tạp chí Nature Materials.
Cui-Zu Chang cho biết: “Tương lai của điện toán lượng tử phụ thuộc vào một loại vật liệu mà chúng tôi gọi là chất siêu dẫn tô pô, có thể được hình thành bằng cách kết hợp chất cách điện tô pô với chất siêu dẫn, nhưng quá trình kết hợp hai vật liệu này trên thực tế là một thách thức”. , Henry W. Knerr Early Career Giáo sư và Phó Giáo sư Vật lý tại Penn State và trưởng nhóm nghiên cứu.
>> Tham khảo: Pin không có nguyên liệu thô quan trọng.
“Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã sử dụng một kỹ thuật gọi là epitaxy chùm phân tử để tổng hợp cả màng cách điện và chất siêu dẫn tôpô và tạo ra một cấu trúc dị thể hai chiều, một nền tảng tuyệt vời để khám phá hiện tượng siêu dẫn tôpô.”
Trong các thí nghiệm kết hợp hai vật liệu trước đây, tính siêu dẫn trong các màng mỏng thường biến mất khi một lớp cách điện topo được phủ lên trên.
Các nhà vật lý đã có thể thêm một màng cách điện topo vào một chất siêu dẫn “số lượng lớn” ba chiều và giữ lại các đặc tính của cả hai vật liệu.
Tuy nhiên, các ứng dụng cho chất siêu dẫn tô pô, chẳng hạn như chip có mức tiêu thụ năng lượng thấp bên trong máy tính lượng tử hoặc điện thoại thông minh, sẽ cần phải ở dạng hai chiều.
Trong bài báo này, nhóm nghiên cứu đã xếp một màng cách điện tôpô làm từ bismuth selenua (Bi2Se3) với các độ dày khác nhau lên một màng chất siêu dẫn làm từ niobi diselenua đơn lớp (NbSe2), tạo ra sản phẩm cuối cùng hai chiều. Bằng cách tổng hợp các cấu trúc dị thể ở nhiệt độ rất thấp, nhóm nghiên cứu đã có thể giữ lại cả các đặc tính cấu trúc liên kết và siêu dẫn.
>> Tham khảo: Nước rất quan trọng để thành công trong giảm biến đổi khí hậu.
Hemian Yi, một học giả sau tiến sĩ thuộc Nhóm nghiên cứu Chang tại Penn State và là tác giả đầu tiên của bài báo cho biết: “Trong chất siêu dẫn, các electron tạo thành ‘cặp Cooper’ và có thể chảy mà không có điện trở, nhưng từ trường mạnh có thể phá vỡ các cặp đó”.
“Màng siêu dẫn đơn lớp mà chúng tôi sử dụng được biết đến với ‘tính siêu dẫn kiểu Ising’, có nghĩa là các cặp Cooper rất mạnh đối với từ trường trong mặt phẳng. Chúng tôi cũng hy vọng pha siêu dẫn tô pô hình thành trong các cấu trúc dị thể của chúng tôi sẽ mạnh mẽ theo cách này.”
Bằng cách điều chỉnh một cách tinh tế độ dày của chất cách điện tôpô, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng cấu trúc dị thể đã chuyển từ tính siêu dẫn kiểu Ising — trong đó spin của electron vuông góc với màng phim — sang một loại siêu dẫn khác gọi là “siêu dẫn kiểu Rashba” — trong đó spin của electron song song với màng.
Hiện tượng này cũng được quan sát thấy trong các tính toán và mô phỏng lý thuyết của các nhà nghiên cứu.
Cấu trúc dị thể này cũng có thể là một nền tảng tốt cho việc khám phá các fermion Majorana, một hạt khó nắm bắt sẽ là nhân tố chính giúp tạo ra một máy tính lượng tử tôpô ổn định hơn so với các máy tính tiền thân của nó.
>> Tham khảo: Sử dụng men để tạo ra các quy trình hóa dầu thay thế.
Chang cho biết: “Đây là một nền tảng tuyệt vời cho việc khám phá các chất siêu dẫn tôpô và chúng tôi hy vọng rằng chúng tôi sẽ tìm thấy bằng chứng về tính siêu dẫn tôpô trong công việc đang tiếp tục của chúng tôi”.
“Một khi chúng tôi có bằng chứng chắc chắn về tính siêu dẫn tô pô và chứng minh vật lý Majorana, thì loại hệ thống này có thể được điều chỉnh cho điện toán lượng tử và các ứng dụng khác.”
Ngoài Chang và Yi, nhóm nghiên cứu tại Penn State còn có Lun-Hui Hu, Yuanxi Wang, Run Xiao, Danielle Reifsnyder Hickey, Chengye Dong, Yi-Fan Zhao, Ling-Jie Zhou, Ruoxi Zhang, Antony Richardella, Nasim Alem , Joshua Robinson, Moses Chan, Nitin Samarth và Chao-Xing Liu. Nhóm cũng bao gồm Jiaqi Cai và Xiaodong Xu tại Đại học Washington.
Công trình này chủ yếu được hỗ trợ bởi MRSEC của Bang Pennsylvania về Khoa học cấp độ nano và cũng được hỗ trợ một phần bởi Quỹ Khoa học Quốc gia, Bộ Năng lượng, Đại học Bắc Texas, và Quỹ Gordon và Betty Moore.
