Топологический сверхпроводник обеспечил идеальное туннелирование

Физики экспериментально подтвердили парадокс Клейна — беспрепятственное прохождение частиц сквозь потенциальный барьер. Это явление было изначально теоретически предложено для релятивистских частиц, но его удалось обнаружить на границе между металлом и топологическим изолятором в состоянии сверхпроводимости. Открытие показывает ранее неизвестное свойство топологических изоляторов и может пригодиться при разработке новых устройств в области спинтроники и сверхпроводящих датчиков, пишут авторы статьи в журнале Nature, которая попала на обложку выпуска.

В 1928 году Поль Дирак опубликовал волновое уравнение для релятивистских частиц, впоследствии получившее имя первооткрывателя. Оно является обобщением уравнения Шредингера и сыграло большую роль в физике, так как позволило объяснить ряд накопленных экспериментальных фактов, а также предсказывало существование позитрона.

Спустя всего год после работы Дирака Оскар Клейн решил уравнение для стандартной в квантовой механике задачи — взаимодействие частицы с потенциальным барьером. В простейшем случае она формулируется для одномерной ситуации и связана с нахождением вероятности отражения или прохождения частицы с заданной энергией сквозь барьер известной энергетической высоты и пространственной ширины.

Оказалось, что при достаточно высоком барьере релятивистская частица всегда проходит сквозь него — туннелирует. Это заметно отличается от ситуации, описываемой уравнением Шредингера, в которой вероятность экспоненциально подавлена. Для безмассовых частиц в таком случае рассеяние в противоположную изначальному направлению сторону полностью запрещено. Считалось, что туннелирование в предсказанном Клейном режиме возможно только для релятивистских частиц. Более того, хотя физики не сомневались в реальности эффекта, он не был однозначно продемонстрирован в рамках контролируемого эксперимента.

Группа физиков под руководством Итиро Такэути (Ichiro Takeuchi) из Мэрилендского университета в Колледж-Парке показала, что в специфической системе с топологическим изолятором можно наблюдать клейновское туннелирование электронов, которые движутся гораздо медленнее скорости света. Это удалось доказать благодаря измеренному удвоению проводимости на границе между металлом и топологическим изолятором в состоянии сверхпроводимости.

Топологический изолятор — это особый класс веществ, которые являются изоляторами в объеме, но проводят ток по поверхности благодаря так называемой топологической защите. Это означает что волновые функции электронов обладают специальными симметриями, которые наделяют носители зарядов особыми свойствами, например, для поверхностных электронных состояний становится характерна линейная связь между энергией и импульсом, обычная для безмассовых частиц, в то время как электроны, как правило, подчиняются квадратичному закону.

Одно из проявлений топологической защиты заключается в жесткой зависимости импульса и спина электронов на поверхности. Следовательно, направление движения частицы однозначно взаимосвязано с направлением спина. Однако для наблюдения клейновского туннелирования этого было недостаточно.

В работе использовался гексаборид самария SmB6, который становится топологическим изолятором при низких температурах. Его поверхность дополнительно модифицировали для придания сверхпроводящих свойств. Для этого тонкий слой SmB6 наносили на подложку из гексаборида иттрия YB6, который при температуре ниже 6,4 кельвинов становится сверхпроводником. Благодаря эффекту близости сверхпроводящие свойства также стали наблюдаться и в поверхности гексабориде самария с металлическими свойствами.

Свойства полученной гетероструктуры измеряли при помощи точечно-контактной спектроскопии, то есть посредством поднесения тонкой металлической иглы. В данном случае острие из сплава иридия и платины приводили в контакт с верхним слоем SmB6, вследствие чего электроны с иглы начинали переходить в топологический изолятор в сверхпроводящем состоянии. Авторам удалось измерить в точности удвоенную дифференциальную проводимость (производную силы тока как функции напряжения), они смогли теоретически объяснить ее как идеальную форму андреевского отражения, которую обеспечивает туннелирование в клейновском режиме.

Андреевское отражение — это специфический процесс взаимодействия электрона с границей между металлом и сверхпроводником. Так как в сверхпроводнике электроны должны объединяться в куперовские пары для обхода принципа исключения Паули, то попадающий в сверхпроводник электрон превращается в дырку, которая отражается от границы фаз и начинает двигаться в обратном направлении, а в сверхпроводнике появляется новая пара.
Так как дырка обладает положительным зарядом, то в целом в процессе андреевского отражения происходит удвоение тока. В обычной ситуации далеко не все электроны проходят сквозь границу, многие рассеиваются обратно в металл без рождения дырки, поэтому суммарно ток увеличивает не в два раза, а гораздо меньше. Однако из-за жесткой связи между спином и импульсом в топологическом изоляторе электроны не могут рассеиваться назад и всегда попадают в сверхпроводник.

«Барьер некоторого рода почти всегда возникает на границе между металлом и сверхпроводником, из-за чего некоторые электроны рассеиваются в обратном направлении, что уменьшает эффект от андреевского отражения. Рассеяние в обратном направлении полностью запрещено в нашем переходе между металлом и поверхностью топологического изолятора, так как электронные состояния топологически защищены, — говорит Такэути. — Это приводит к тому, что каждый электрон, подходящий к границе со сверхпроводником, во всех случаях проходит сквозь границу и порождает идеальное андреевское отражение. Клейновское туннелирование, таким образом, убирает барьер на границе».

Авторы отмечают, что соединения между металлами и сверхпроводниками являются основными элементами некоторых архитектур квантовых компьютеров, а также используются во многих прецизионных датчиках, например, в датчиках магнитного поля. Однако их основным недостатком являются неизбежные микроскопические различия, из-за которых их параметры отличаются, поэтому калибровка прибора со многими переходами оказывается чрезвычайно сложной. Однако новая схема теоретически позволяет полностью избавиться от этого источника неоднородностей.

За топологические фазы материи, к которым, в частности, относятся топологические изоляторы, присудили Нобелевскую премию по физике за 2016 год. Мы подробно обсуждали результаты лауреатов в материале «Топологически защищен». Ранее физики научили двумерный топологический изолятор превращаться в сверхпроводник, предсказали образование триплетных куперовских пар при отсутствии магнитного упорядочивания и показали, что для образования топологического изолятора не нужен порядок.

 https://nplus1.ru