Firma experimental de superconductor topológico

Hay diferentes categorías de superconductores topológicos. Supongo que te refieres a los invariantes de inversión de tiempo (clase DIII), en 2D o 3D. Sí, es posible distinguir los estados de superficie/borde de los superconductores topológicos 3D/2D del resto. No estoy hablando de diseñar alguna técnica experimental intrincada para separar la contribución del grueso y la superficie; ¡Resulta que no necesitan ninguna separación! Los estados a granel y superficial son distintos de una manera muy fundamental. Esa afirmación es cierta no solo en los superconductores topológicos sino también en los aisladores topológicos. Primero permítanme hacer algunos comentarios sobre el caso de los aisladores topológicos.

Sí, un aislador topológico ideal es el aislante a granel y el conductor en la superficie/borde. A pesar de la existencia de una extensa lista de aisladores topológicos de banda (3D) descubiertos hasta la fecha, ¡ninguno de ellos es aislante en su mayor parte! El aislador topológico Kondo SmB$_6$es el único con las propiedades de un aislante topológico ideal; pero la brecha de Kondo se abre solo a temperaturas criogénicas ($\approx$4K). Entonces, este ejemplo no es "natural" en el sentido de que no existe en una fase topológica en condiciones ambientales.

La razón por la que podemos distinguir entre la superficie (en el caso 3D) y los estados de masa de un aislador topológico, incluso cuando la masa es conductora, es porque la superficie forma el llamado "metal helicoidal". Los estados electrónicos conductores en este metal helicoidal no se hibridan (ni se mezclan) con los estados conductores en general; imagina esto con la analogía de dos líquidos inmiscibles en un recipiente. El siguiente artículo analiza en detalle cómo los estados superficiales topológicos se niegan a hibridarse con el bulto

Bohm-Jung Yang, Mohammad Saeed Bahramy y Naoto Nagaosa. “ Protección topológica de estados ligados contra la hibridación ”. Comunicaciones de la naturaleza 4 (2013): 1524. ( versión arXiv )

Estos estados helicoidales, que forman un sistema electrónico 2D en el límite de un sistema 3D, tienen la mitad de los grados de libertad (DOF) de un sistema equivalente puramente 2D; la otra mitad (DOF) están en la otra superficie (busque el principio holográfico). Como resultado, ninguna perturbación que preserve la simetría de inversión temporal puede separarlos. En otras palabras, están protegidos topológicamente (debido a la simetría). Otra cosa importante a destacar es que el hecho de que un aislante sea topológicamente trivial no significa que no pueda tener estados superficiales. La única diferencia es que estos estados pueden ser destruidos.

Ahora, en el caso de los superconductores topológicos, los estados superficiales son aún más exóticos. Las superficies de los superconductores topológicos invariantes de inversión de tiempo en 3D albergan modos de Majorana. Observaría un cono de Dirac topológicamente protegido, como un aislante topológico 3D, en la superficie de un superconductor topológico. La única diferencia es que este cono de Dirac representa la dispersión de los modos de Majorana en lugar de los fermiones de Dirac y tiene la mitad de los grados de libertad debido a la simetría entre partículas y agujeros. Existe una tonelada de literatura que propone esquemas para detectar experimentalmente estos modos de Majorana. Sin embargo, para el caso de los superconductores topológicos invariantes con inversión de tiempo en 3D, solo estoy familiarizado con dos: la microscopía de túnel de barrido (STM) y la espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES).

Satoshi Sasaki, M. Kriener, Kouji Segawa, Keiji Yada, Yukio Tanaka, Masatoshi Sato y Yoichi Ando. Superconductividad topológica en Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$.” Cartas de revisión física 107 , no. 21 (2011): 217001. ( versión arXiv )

Un pequeño descargo de responsabilidad: todavía hay mucho debate sobre si los autores del artículo anterior realmente han visto el modo Majorana o no. Por ejemplo, consulte este artículo que refuta las afirmaciones del documento anterior:

Niv Levy, Tong Zhang, Jeonghoon Ha, Fred Sharifi, A. Alec Talin, Young Kuk y Joseph A. Stroscio. “ Evidencia experimental de$s$-Simetría de emparejamiento de ondas en cobre superconductor$_x$Bi$_2$Se$_3$Cristales individuales utilizando un microscopio de túnel de barrido . Cartas de revisión física 110 , no. 11 (2013): 117001.
( versión arXiv )

Alternativamente, en lugar de la densidad de estados integrada por momento en STM, puede "ver" directamente el cono de Dirac de los modos de Majorana usando ARPES ya que está midiendo la estructura de banda directamente. De hecho, la existencia de aisladores topológicos 3D de primera y segunda generación se identificó utilizando precisamente esta técnica. Que yo sepa, hasta ahora nadie ha observado modos de Majorana en la superficie de un superconductor topológico usando ARPES. Las principales razones son técnicas: capacidad de enfriamiento, resolución de energía, falta de estabilidad estequiométrica (a diferencia del Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$) materiales candidatos que se pueden escindir para dar superficies atómicamente planas, etc.

Además de los superconductores topológicos invariantes con inversión de tiempo, en los siguientes (excelentes) artículos de revisión se puede ver una amplia lista de esquemas para diseñar superconductores topológicos y detectar sus modos Majorana:

Jason Alicia. " Nuevas direcciones en la búsqueda de fermiones de Majorana en sistemas de estado sólido ". Informes sobre el progreso de la física 75 , no. 7 (2012): 076501. ( versión arXiv )

CWJ Beenakker, " Búsqueda de fermiones de Majorana en superconductores ". Revisión anual de física de la materia condensada 4 , no. 1 (2013): 113-136. ( versión arXiv )

Detalles (continuación de la sección de comentarios a continuación)

En cuanto al ZBCP, creo que es aún más confiable usando STM (en comparación con el transporte) para superconductores 3D (clase DIII). Para el sistema investigado por Kouwenhoven y otros en los nanocables 1D Rashba (clase D), la situación es mucho más ambigua. El transporte es mucho más quisquilloso; (obviamente) no es tan directo como STM o ARPES. Las discrepancias en los estudios STM mencionados anteriormente surgen (en opinión de Yoichi Ando y en la mía) porque Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$es muy difícil trabajar con él. Desde Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$no es estequiométricamente estable, los átomos de cobre dopantes se difunden y forman "bolsillos" de regiones superconductoras y normales (o topológicas y no topológicas) (dependiendo de la densidad local de Cu). ¡Ando piensa que los dos estudios midieron regiones diferentes! Dicho esto, no sé si Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$es topológico si el problema anterior no existiera. Sólo estoy señalando la fuente de la confusión.

Algunos comentarios sobre ARPES: ¡este es el verdadero negocio! De hecho, puede tener una detección de pistola humeante usando ARPES; después de todo, ves la dispersión del modo Majorana directamente. La razón por la que la gente aún no ha visto esto, como mencioné, es principalmente técnica. En primer lugar, los sistemas ARPES de última generación pueden entrar en el$\approx$Rango de 10K. La mayoría de los candidatos a superconductores topológicos tienen$T_c$está muy por debajo de eso (por ejemplo, compuestos de medio Heusler y superconductores de fermiones pesados). Algunos sistemas (basados ​​en láser) pueden bajar a 1,5 K. Puede parecer que Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$(con$T_c = 3.8$K) podría ser perfecto. Pero no es suficiente ir justo debajo$T_c$. Tienes que ir muy por debajo de la temperatura para ver claramente las características de la brecha (superconductora) (es decir, cuando la brecha es lo suficientemente grande); el tamaño de la brecha sigue aproximadamente una ley de potencia como$\approx 1/T^2$abajo$T_c$. Además, los espacios de muchos materiales candidatos son muy pequeños (en comparación con los espacios de banda topológicos del aislador). ARPES convencionalmente basado en sincrotrón es la herramienta más avanzada para realizar experimentos ARPES. Sin embargo, recientemente ARPES basado en láser se está volviendo más común en los laboratorios. Aparte de la compacidad y el consumo de recursos significativamente menor (tanto monetario como de mano de obra operativa), el ARPES basado en láser se está volviendo popular porque es "limpio". Echa un vistazo a esta imagen para ver lo que quiero decir con eso:

Los sistemas ARPES basados ​​en sincrotrón tienen más “jugo” (altas energías de fotones en decenas de eV) en comparación con los basados ​​en láser (6-7 eV), pero tienen una resolución muy pobre. Lo que realmente necesitamos es una buena resolución si queremos ver las características de los modos Majorana dentro de la pequeña brecha superconductora.

Algunos comentarios sobre posibles candidatos a superconductores topológicos: además de ser muy buenos candidatos a aislantes topológicos, algunos de los compuestos de la mitad de Heusler se vuelven superconductores a temperaturas muy bajas (1-2 K). Por ejemplo, LaPtBi, YPtBi y LuPtBi tienen$T_c$de 0,9 K, 0,77 K, 1 K respectivamente. Desafortunadamente, las muestras de estos materiales que se han cultivado hasta ahora son "parecidas a rocas" (en oposición a cristalinas) y es muy difícil escindirlas para obtener una superficie atómicamente plana para hacer ARPES. ¡Después de todo, los modos Majorana viven en la superficie!

En pocas palabras, ARPES puede darnos firmas de armas humeantes modos Majorana. Estoy seguro de que también hay otras formas inteligentes (indirectas) de obtener firmas de armas humeantes.