Цветная карта дифференциальной проводимости как функции увеличения магнитного поля (ось x) в ниобии, осажденном на двумерном дителлуриде молибдена (MoTe₂). Красные пики представляют собой колебания сверхтока края MoTe₂ из-за потока магнитного поля.
Кредит: Принстонский университет

Топологические материалы — это материалы, обладающие необычными свойствами, которые возникают из-за того, что их волновая функция — физический закон, управляющий электронами — завязана или скручена. Там, где топологический материал встречается с окружающим пространством, волновая функция должна раскручиваться. Чтобы приспособиться к этому резкому изменению, электроны на краю материала должны вести себя иначе, чем в основной массе материала.

Это приводит к тому, что ученые называют краевыми состояниями. Если топологический материал также является сверхпроводником, то и основная часть, и край являются сверхпроводящими, но ведут себя по-разному. Это удивительная ситуация, очень похожая на две соприкасающиеся лужи воды, которые не сливаются.

Исследование в Nature Physics показывает, что сверхпроводящие краевые токи в топологическом материале теллуриде молибдена (MoTe₂) могут выдерживать большие изменения в «клее», который удерживает сверхпроводящие электроны парами. Это важно, поскольку именно спаривание электронов заставляет электричество свободно течь в сверхпроводнике.

Топологические сверхпроводники — это возможный новый тип сверхпроводников, предсказанный теорией. Если это подтвердится, они позволят создать следующее поколение квантовых технологий, поскольку содержат особые частицы, называемые анионы.

В отличие от электронов, анионы запоминают свое положение. Это позволяет им быть организованными для выполнения квантовых вычислительных операций таким образом, чтобы защититься от ошибок. Топологические сверхпроводники также несут особые токи, которые текут по их границам, называемые «краевыми сверхтоками». Исследователи могут использовать эти токи для создания и управления анионами. Это поможет исследователям создавать квантовые технологии и энергоэффективную электронику.

Когда MoTe₂ становится сверхпроводящим, сверхток (максимальный ток, который можно ввести, не разрушая сверхпроводимость) колеблется в магнитном поле. Краевой сверхток колеблется быстрее, чем в объеме, проявляясь как характерная модуляция объемного отклика.

Сверхпроводящие токи переносятся парными электронами, а клей, удерживающий пары вместе, может иметь совершенно разную прочность и симметрию для разных материалов.

Для усиления клея (парного потенциала) в MoTe₂ ученые нанесли на него ниобий (Nb), поскольку у Nb более сильный парный потенциал. Парный потенциал Nb перетекает в MoTe₂, и электроны в последнем некоторое время чувствуют более сильный клей.

Эта утечка усиливает сверхтоковые колебания, но также выявляет несовместимость между парными потенциалами Nb и MoTe₂. Они не могут плавно объединиться, и волновая функция, направляющая краевые электроны, переключается между парными потенциалами Nb и MoTe₂, в соответствии с тем, какой потенциал преобладает.

Выбор, сделанный краевыми электронами, отражается в осцилляциях. Они шумные, когда потенциал краевой пары отличается от потенциала объемного MoTe₂, и почти бесшумные, когда они одинаковы.

Это исследование не только подтверждает существование краевых сверхтоков, но и показывает, что их можно использовать для мониторинга поведения сверхпроводящих электронов в топологических сверхпроводниках.