Supraconductivité topologique et modes zéro de Majorana de films épitaxiés de β-Bi2Pd par épitaxie par faisceau moléculaire. (a) Image topographique de films β-Bi2Pd, avec l'insert comme structure cristalline schématique de β-Bi2Pd. (b) Spectre typique de conductance différentielle dI/dV à 0,4 K, révélant deux lacunes supraconductrices distinctes à partir des états de volume (Δb) et de surface topologique (Δs), respectivement. (c) Carte de conductance à polarisation nulle, montrant un vortex magnétique individuel (région jaune vif). (d) Spectre de conductance tunnel dI/dV pris au centre du vortex, signifiant un pic de conductance de polarisation zéro saillant. (e) Les spectres dI/dV acquis à des positions avec une distance radiale variable r du centre du vortex. Les pics ne montrent aucune division et sont invariablement fixés à l'énergie zéro, prévu pour les modes zéro de Majorana. Crédit :©Science China Press
La recherche des fermions de Majorana, particules qui sont leurs propres antiparticules, dans les supraconducteurs topologiques est d'une importance primordiale en physique de la matière condensée aujourd'hui. Récemment, une équipe de recherche dirigée par le professeur Qi-Kun Xue de l'Université Tsinghua en Chine a rapporté des preuves expérimentales de la supraconductivité topologique près de la surface des films épitaxiaux β-Bi2Pd, et les modes zéro de Majorana possibles aux tourbillons magnétiques.
Un supraconducteur topologique est supraconducteur à l'intérieur de la masse comme les autres supraconducteurs, tandis que sur la frontière/surface, il abrite les fermions de Majorana tant recherchés. De telles particules inhabituelles obéissent à des statistiques de tressage non abéliennes et ont un potentiel pour l'informatique quantique tolérante aux pannes, qui peuvent théoriquement fonctionner plus efficacement que les ordinateurs actuels. Une poignée de supraconducteurs topologiques ont jusqu'à présent été proposés dans des isolants topologiques ou d'autres systèmes à fort couplage spin-orbital lorsqu'ils sont interfacés avec un supraconducteur ou entraînés dans des états supraconducteurs par dopage chimique. Cependant, peu d'attention a été accordée à la recherche d'une structure de bande topologiquement non triviale dans les supraconducteurs à onde s classiques.
Le β-Bi2Pd tétragonal s'est avéré supraconducteur en dessous de 5,4 K en 1957. Récemment, La spectroscopie de photoémission à résolution angulaire a révélé que des bandes de surface protégées topologiquement traversaient le niveau de Fermi de β-Bi2Pd. Les deux critères majeurs pour réaliser la supraconductivité topologique existent au sein de ce composé à un seul composant. Les recherches expérimentales ultérieures de la supraconductivité topologique enfouie dans le β-Bi2Pd ont toutes échoué. Cependant, les chercheurs de l'Université Tsinghua rapportent maintenant des états supraconducteurs topologiquement non triviaux dans β-Bi2Pd.
"Nous sommes motivés à comprendre pourquoi la supraconductivité topologique n'a pas été observée dans toutes les études précédentes sur les cristaux de β-Bi2Pd, il est maintenant connu que le réglage du potentiel chimique pour isoler les états de surface topologiques des bandes de volume proches du niveau de Fermi est la clé pour observer de tels états supraconducteurs topologiquement non triviaux, " dit Yanfeng Lv, le premier auteur de cette étude, est maintenant chercheur postdoctoral au Texas Center for Superconductivity, Université de Houston.
Publié dans la revue de Bulletin scientifique , l'étude a utilisé une technique d'épitaxie par faisceau moléculaire de pointe dans des conditions d'ultravide pour préparer des films minces β-Bi2Pd de haute qualité sur des substrats SrTiO3, qui ont ensuite été transférés in situ dans une chambre cryogénique de microscopie à effet tunnel. Le spectre d'effet tunnel a révélé une ouverture d'espace supraconducteur prononcée et résistante aux impuretés à la surface, qui semble beaucoup plus grand que la masse en raison du mélange de parité amélioré Dirac-fermion du potentiel de paire de surface. La visualisation directe du gap supraconducteur s'ouvrant sur les états de surface topologiques, ainsi que sa variation attendue avec le niveau de Fermi, révèle de manière convaincante β-Bi2Pd comme un candidat prometteur pour le supraconducteur topologique. Pics saillants de conductance de polarisation nulle, probablement des modes zéro de Majorana supportés par de tels états supraconducteurs, ont été identifiés à l'extrémité des lignes de vortex magnétiques.
"Cette recherche fournit des preuves convaincantes de la supraconductivité topologique sur β-Bi2Pd et de la signature des modes zéro de Majorana aux vortex, " ont déclaré les chercheurs, "et plus important encore, pointe vers une nouvelle voie pour rechercher des états d'appariement topologiques sur des supraconducteurs habituels qui pourraient présenter une structure de bande topologiquement non triviale par l'ingénierie du niveau de Fermi."
