Топологический сверхпроводник обеспечил идеальное туннелирование

24 июня 2019
35

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, пишутавторы 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 близостисверхпроводящие 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.