Экспериментальная подпись топологического сверхпроводника

Существуют различные категории топологических сверхпроводников. Я предполагаю, что вы имеете в виду инварианты обращения времени (класс DIII) в 2D или 3D. Да, можно отличить поверхностные/краевые состояния 3D/2D топологических сверхпроводников от объема. Я не говорю о разработке какой-то замысловатой экспериментальной методики для отделения вклада от объема и поверхности; как оказалось, они не нуждаются в разделении! Объемное и поверхностное состояния различаются очень фундаментальным образом. Это утверждение справедливо не только для топологических сверхпроводников, но и для топологических изоляторов. Сначала позвольте мне сделать несколько замечаний по случаю топологических изоляторов.

Да, идеальный топологический изолятор изолирует в объеме и проводит на поверхности/крае. Несмотря на существование обширного списка (3D) зонных топологических изоляторов, обнаруженных на сегодняшний день, ни один из них не является изолирующим в массе! Топологический изолятор Кондо SmB$_6$единственный со свойствами идеального топологического изолятора; но щель Кондо открывается только при криогенных температурах ($\approx$4 К). Так что этот пример не является «естественным» в том смысле, что он не существует в топологической фазе в окружающих условиях.

Причина, по которой мы можем различать поверхностное (в трехмерном случае) и объемное состояния топологического изолятора, даже когда объем является проводящим, заключается в том, что поверхность образует так называемый «спиральный металл». Проводящие электронные состояния в этом спиральном металле не гибридизуются (или не смешиваются) с проводящими состояниями в объеме; Представьте себе это на примере двух несмешивающихся жидкостей в сосуде. В следующей статье подробно обсуждается, как топологические поверхностные состояния отказываются гибридизоваться с объемными состояниями.

Бом-Юнг Ян, Мохаммад Саид Бахрами и Наото Нагаоса. « Топологическая защита связанных состояний от гибридизации ». Nature Communications 4 (2013): 1524. ( версия arXiv )

Эти спиральные состояния, которые образуют 2D-электронную систему на границе 3D-системы, имеют половину степеней свободы (DOF) эквивалентной чисто 2D-системы; другая половина (степень свободы) находится на другой поверхности (посмотрите на голографический принцип). В результате никакое возмущение, сохраняющее симметрию обращения времени, не может их разомкнуть. Другими словами, они топологически защищены (в силу симметрии). Еще один важный момент, который следует подчеркнуть, заключается в том, что только потому, что изолятор топологически тривиален, не означает, что он не может иметь поверхностных состояний. Разница лишь в том, что эти состояния можно разрушить.

Теперь, в случае топологических сверхпроводников, поверхностные состояния еще более экзотичны. Поверхности трехмерных топологических сверхпроводников, инвариантных к обращению времени, содержат майорановские моды. Вы увидите топологически защищенный конус Дирака, как трехмерный топологический изолятор, на поверхности топологического сверхпроводника. Единственное отличие состоит в том, что этот конус Дирака представляет собой дисперсию майорановских мод вместо фермионов Дирака и имеет половину степеней свободы из-за симметрии частица-дырка. Существует тонна литературы, в которой предлагаются схемы экспериментального обнаружения этих майорановских мод. Однако в случае трехмерных инвариантных топологических сверхпроводников с обращением времени я знаком только с двумя: сканирующей туннельной микроскопией (СТМ) и фотоэмиссионной спектроскопией с угловым разрешением (ARPES).

Сатоши Сасаки, М. Кринер, Кодзи Сегава, Кейджи Яда, Юкио Танака, Масатоши Сато и Ёити Андо. « Топологическая сверхпроводимость в Cu$_x$би$_2$Се$_3$». Письма о физическом обзоре 107 , вып. 21 (2011): 217001. ( версия arXiv )

Одно маленькое предупреждение: до сих пор ведутся споры о том, действительно ли авторы вышеуказанной статьи видели режим Майораны или нет. Например, проверьте эту статью, которая опровергает утверждения вышеупомянутой статьи:

Нив Леви, Тонг Чжан, Чонхун Ха, Фред Шарифи, А. Алек Талин, Янг Кук и Джозеф А. Строшио. « Экспериментальные доказательства$s$- Симметрия спаривания волн в сверхпроводящей меди$_x$би$_2$Се$_3$Монокристаллы с помощью сканирующего туннельного микроскопа ». Письма о физическом обзоре 110 , вып. 11 (2013): 117001.
( версия arXiv )

В качестве альтернативы, вместо интегрированной по импульсу плотности состояний в STM, вы можете напрямую «увидеть» конус Дирака майорановских мод, используя ARPES, поскольку вы измеряете зонную структуру напрямую. Собственно говоря, существование первого и второго поколения трехмерных топологических изоляторов было установлено именно с помощью этой методики. Насколько мне известно, до сих пор никто не наблюдал майорановские моды на поверхности топологического сверхпроводника с помощью ARPES. Основные причины технические: возможности охлаждения, энергетическое разрешение, отсутствие стехиометрически стабильных (в отличие от Cu$_x$би$_2$Се$_3$) материалы-кандидаты, которые можно расщепить, чтобы получить атомарно-плоские поверхности, и т. д.

Помимо топологических сверхпроводников, инвариантных к обращению времени, широкий список схем создания топологических сверхпроводников и обнаружения их майорановских мод можно увидеть в следующих (отличных) обзорных статьях:

Джейсон Алиса. « Новые направления в поисках майорановских фермионов в твердотельных системах ». Отчеты о прогрессе в физике 75 , вып. 7 (2012): 076501. ( версия arXiv )

CWJ Beenakker, « Поиск майорановских фермионов в сверхпроводниках ». Ежегодный обзор физики конденсированных сред 4 , вып. 1 (2013): 113-136. ( архивная версия )

Подробности (продолжение из раздела комментариев ниже)

Что касается ZBCP, я считаю, что использование STM все еще более надежно (по сравнению с транспортом) для трехмерных сверхпроводников (класс DIII). Для системы, исследованной Кувенховеном и другими в одномерных нанопроволоках Рашбы (класс D), ситуация гораздо более неоднозначна. Транспорт более привередлив; это (очевидно) не так прямолинейно , как STM или ARPES. Расхождения в вышеупомянутых исследованиях СТМ возникают (по мнению Йоичи Андо и по моему мнению) из-за того, что Cu$_x$би$_2$Се$_3$с ним очень тяжело работать. Поскольку Cu$_x$би$_2$Се$_3$не является стехиометрически стабильным, легирующие атомы меди диффундируют и образуют «карманы» сверхпроводящих и нормальных (или топологических и нетопологических) областей (в зависимости от локальной плотности Cu). Андо считает, что в двух исследованиях измерялись разные такие области! При этом я не знаю, если Cu$_x$би$_2$Се$_3$является топологическим, если вышеуказанная проблема не существовала. Я просто указываю на источник путаницы.

Несколько комментариев по поводу ARPES: это настоящая сделка! Вы действительно можете обнаружить дымящийся пистолет с помощью ARPES; в конце концов, вы видите майорановскую модовую дисперсию напрямую. Причина, по которой люди еще не видели этого, как я уже упоминал, в основном техническая. Во-первых, современные системы ARPES могут быть использованы в$\approx$Диапазон 10 К. Большинство кандидатов в топологические сверхпроводники имеют$T_c$намного ниже (например, полугейслеровские соединения и сверхпроводники с тяжелыми фермионами). Некоторые (лазерные) системы могут снизить температуру до 1,5 К. Может показаться, что Cu$_x$би$_2$Се$_3$(с$T_c = 3.8$К) может быть идеальным. Но этого недостаточно, чтобы пойти чуть ниже$T_c$. Вы должны пойти намного ниже по температуре, чтобы ясно увидеть особенности (сверхпроводящей) щели (т.е. когда щель достаточно велика); размер зазора примерно соответствует степенному закону, например$\approx 1/T^2$ниже$T_c$. Кроме того, запрещенные зоны многих материалов-кандидатов очень малы (по сравнению с запрещенными зонами топологического изолятора). ARPES, основанный на традиционном синхротроне, является современным инструментом для проведения экспериментов ARPES. Однако в последнее время лазерный ARPES становится все более распространенным в лабораториях. Помимо компактности и значительно меньшей ресурсоемкости (как денежной, так и рабочей силы), АРПЭС на основе лазера становится популярной благодаря своей «чистоте». Посмотрите на это изображение, чтобы понять, что я имею в виду:

Системы ARPES на синхротроне имеют больше «сока» (высокие энергии фотонов в десятки эВ) в отличие от лазерных (6-7 эВ), но имеют очень плохое разрешение. Хорошее разрешение — это то, что нам действительно нужно, если мы хотим увидеть особенности майорановских мод внутри крошечного сверхпроводящего промежутка.

Несколько комментариев о потенциальных кандидатах в топологические сверхпроводники: помимо того, что они являются очень хорошими кандидатами в топологические изоляторы, некоторые полугейслеровские соединения становятся сверхпроводящими при очень низких температурах (1-2 К). Например, LaPtBi, YPtBi и LuPtBi имеют$T_c$0,9 К, 0,77 К, 1 К соответственно. К сожалению, образцы этих материалов, которые были выращены до сих пор, «подобны камню» (в отличие от кристаллических), и их очень трудно расколоть, чтобы получить атомарно плоскую поверхность для проведения ARPES. Ведь все моды Майораны живут на поверхности!

Короче говоря, ARPES может дать нам сигнатуры майорановских режимов. Я уверен, что есть и другие хитрые (косвенные) способы получения сигнатур дымящегося пистолета.