Supergeleiden met de snelheid van het licht

4 oktober 2018

Onderzoekers van de universiteiten van Twente en Amsterdam ontdekken elektronen die gepaard en schijnbaar met de snelheid van het licht door het binnenste van een kristal vliegen, en ontmaskeren zo ongrijpbare Majorana-toestanden.

Waarnemingen van Majorana-toestanden zijn zeldzaam, en zijn tot nu toe altijd gevonden aan de randen van speciale, topologische materialen. Zoals beschreven in het 1-oktobernummer van de toptitel Nature Materials, laat een nieuwe ontdekking – gedaan in een kristal van met antimoon gedoteerd bismut – nu zien dat de interne elektronische toestanden van een driedimensionaal Dirac-halfmetaal ook thuishaven kunnen zijn voor topologische supergeleiding en de verwante Majorana zero-modes. Passend bij de mysterieuze verdwijning van hun naamgever, worden deze toestanden gedetecteerd als een ontbrekende stap in een serie excitaties van de supergeleider als die met radiogolven beschenen wordt. Omdat deze toestanden worden beschermd door fundamentele symmetrieën, is hun ontdekking aan de binnenkant van een kristal, verborgen voor de storende invloeden van de omgeving, een waardevolle volgende stap naar hun toepassing in topologische kwantumcomputers.

Topologische supergeleiding spotten

Als kwantumfasen van materie vogels waren, zou de veldgids van de spotter zijn eerste pagina's wijden aan het onderwerp topologie. Zoals het Nobelcomité in 2016 erkende, is topologie het organiserende principe achter vele kwantumfenomenen die zowel van belang zijn voor fundamentele wetenschappers als voor ingenieurs met interesse in innovatieve nieuwe quantumtechnologieën. Topologische materialen bevatten elektronen die zich gedragen alsof ze massaloos zijn en bewegen met de lichtsnelheid. Dit soort kristallen vertoont daardoor vaak speciale eigenschappen aan hun randen of oppervlakken. Nieuw is nu dat onderzoekers van de universiteiten van Twente en Amsterdam, als onderdeel van een Nederlands nationaal onderzoeksprogramma naar zogeheten topologische isolatoren, hun krachten hebben gebundeld om aan te tonen dat in het binnenste van een gedoteerd kristal van bismut de Majoranatoestanden schuilgaan die topologische supergeleiding signaleren.

Hoewel het niet in de keukenkastjes thuis staat, vormen de zware atomen van de stof bismut – in de vorm van zuivere kristallen – in het onderzoek naar het gedrag van elektronen in vaste stoffen al bijna honderd jaar een bekende en veelgebruikte proefopstelling.  Zo werd in bismut ontdekt dat de elektrische weerstand van een materiaal kan veranderen of zelfs kan gaan oscilleren door het aanleggen of veranderen van een magneetveld, een fenomeen dat inmiddels een onmisbaar hulpmiddel is geworden in modern materialenonderzoek.

De meeste elektronen in een bismut-kristal zitten vastgekluisterd aan de atomen, terwijl maar een klein deel vrij kan rondbewegen en dus stroom kan geleiden zoals de elektronen in een metaal dat doen. Maar wanneer een klein snufje antimoon (slechts 3%) tijdens de groei van het kristal aan bismut wordt toegevoegd, ontstaat een nieuw soort metaal, een zogeheten Dirac-halfmetaal. Het aantal elektronen is zo laag dat je deze stof nauwelijks een metaal kunt noemen, maar het materiaal geleidt wel, en de elektronen blijken zich zelfs te gedragen alsof ze met de lichtsnelheid bewegen.

Als spin en richting samenkomen

Elektronen hebben naast een elektrische lading ook nog spin, een eigenschap waarbij een kwantummechanisch effect het deeltje een magnetisch moment geeft. De onderzoekers hebben nu aangetoond dat de richting van de spin in een Dirac-halfmetaal rechtstreeks verbonden is met de richting waarin het elektron beweegt. Dit effect hangt samen met de speciale topologie (denk 'vorm') van de elektronische energieniveaus in het materiaal. Tot nu toe hebben proeven met elektrische devices dit topologische gedrag alleen laten zien aan de oppervlakken of randen van materialen die bekend staan ​​als topologische isolatoren. Nu, in structuren die in de Twentse MESA+ cleanrooms zijn vervaardigd, is aangetoond dat de interne toestanden binnen in een halfmetaal ook dit gedrag vertonen. Aangezien het binnenste van een materiaal veel robuuster is en minder gevoelig voor vervuiling of omgevingsinvloeden dan een oppervlak of rand, valt er te verwachten dat deze stap voorwaarts ook technologisch relevant zal zijn.

In de uitgave van het tijdschrift Nature Materials van 1 oktober rapporteren de onderzoekers hun bevindingen. Met behulp van nanotechnologie werden supergeleidende elektrodes aangebracht op een dun kristal bestaande uit 97% bismut en 3% antimoon, wat uitgebreid doorgemeten was in een synchrotron en in een sterk magneetveld. Bij zeer lage temperaturen, vlakbij het absolute nulpunt, bleek een stroom zonder weerstand door het kristal te kunnen lopen, van de ene supergeleidende elektrode naar de andere. Toen het kristal ook nog eens met radiogolven werd beschenen, ontdekten de onderzoekers dat een deel van de superstroom uit Majoranadeeltjes bestaat. Deze zeldzame objecten ontstaan in topologische supergeleiders wanneer de genoemde koppeling tussen spin en stroomrichting aanwezig is. Deze Majoranadeeltjes zijn precies dezelfde deeltjes waarin kwantumonderzoekers geïnteresseerd zijn vanwege hun toepassing in topologische kwantumcomputers. Een begeleidend “News & Views”-item, geschreven door twee Amerikaanse ondezoekers in dezelfde uitgave van Nature Materials, noemde deze bevindingen dan ook ‘truly desired and inspiring’, een compliment dat een onderzoeker niet elke dag van collega’s te horen krijgt.

Referentie

4π-periodic Andreev bound states in a Dirac semimetal, C. Li, J. C. de Boer, B. de Ronde, S. V. Ramankutty, E. van Heumen, Y. Huang, A. de Visser, A. A. Golubov, M. S. Golden en A. Brinkman, Nature Materials 17, 875–880 (2018).

 

Gepubliceerd door  IOP