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第一种二维材料 既可作为拓扑绝缘体也可作为超导体

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基于夹在氮化硼之间的二维材料钨二碲化物(WTe 2)的晶体管可以在两种不同的电子状态之间切换 - 一种仅沿其边缘传导电流 ， 使其成为拓扑绝缘体 ， 并且在没有电阻的情况下传导电流麻省理工学院的研究人员和来自其他四个机构的同事已经证明了它是超导体 。
研究人员使用四探针测量 ， 一种测量材料电子行为的常用量子电子传输技术 ， 绘制了二维钨二碲化物晶体管的电流承载能力和电阻特性 ， 并证实了他们在一系列外加电压和外部电压下的发现极低温度下的磁场 。
“这是第一次将完全相同的材料调整为拓扑绝缘体或超导体 ， ” 麻省理工学院Cecil和Ida Green物理教授Pablo Jarillo-Herrero说。“我们可以通过使用常规标准电介质的常规电场效应来实现这一点 ， 因此基本上与标准半导体电子设备中使用的技术类型相同 。”
新类材料
“这是一种新型材料中的第一种 - 可以通过电气调谐到超导体的拓扑绝缘体 - 这可以在实现重大障碍之前开启许多可能性 ， ”Jarillo-Herrero说 。“有一种材料可以在同一种材料中无缝地完成 ， 以便在这种拓扑绝缘体和超导体之间转换 ， 这是非常有吸引力的 。”
钨二碲化物是过渡金属二硫化物材料之一 ， 被归类为半金属 ， 并且像散装形式的金属一样导电 。新发现详细说明 ， 在单层晶体形式中 ， 在小于1开尔文至液氮范围(-320.4华氏度)的温度下 ， 钨二碲化物具有三个不同的相：拓扑绝缘 ， 超导和金属 。施加的电压驱动这些相之间的过渡 ， 这些过渡随温度和电子浓度而变化 。在超导材料中 ， 电子在没有电阻的情况下流动而不产生热量 。
【第一种二维材料 既可作为拓扑绝缘体也可作为超导体】新发现已在线发表 在“ 科学 ”杂志上。现任耶鲁大学博士后的Valla Fatemi博士 ， 以及麻省理工学院Pappalardo研究员博士后三十五 ， 与该资深作者Jarillo-Herrero共同撰写了该论文的第一作者 。合着者是麻省理工学院研究生袁曹; 法国écolePolytechnique的前博士后Landry Bretheau; 英国利物浦大学的Quinn D. Gibson; 国立材料科学研究所的渡边健次和谷口隆; 和普林斯顿大学化学教授Robert J. Cava 。
像量子线一样
这项新工作建立在 研究人员的一份报告的基础上 ， 该 报告展示了量子自旋霍尔效应(QSH) ， 它是二维拓扑绝缘体的标志性物理现象 ， 在同一单层钨二碲化物材料中 。该边缘电流由电子的自旋而不是由它们的电荷控制 ， 并且相反自旋的电子在相反的方向上移动 。这种拓扑性质在低温下始终存在于材料中 。
这种量子自旋霍尔效应持续到约100开尔文(-279.67华氏度)的温度 。“所以它是迄今为止温度最高的2-D拓扑绝缘体 ， ”博士后三峰吴说 ， 他也是早期论文的第一作者 。“对于这样一个有趣的量子态来说 ， 在高温下生存以用于应用是非常重要的 。”
这种行为 ， 其中钨二碲化物材料的边缘像量子线一样 ，  在2014年由物理学副教授梁甫和核科学与工程与材料科学与工程教授朱莉 的理论论文中预测 。寻求具有这些品质的材料用于自旋电子和量子计算装置 。
虽然在高达100开尔文时观察到拓扑绝缘现象 ， 但新工作中的超导行为发生在约1K的低得多的温度下 。
该材料的优点是 ， 对于任何2-D超导体 ， 其具有最低电子密度之一的超导状态 。“这意味着使其成为超导体所需的小载流子密度是可以通过正常电介质 ， 常规电介质和使用小电场引起的 ， 但Jarillo-Herrero解释说 。
在第一篇论文中解决二维钨碲化物拓扑绝缘行为的发现 ， 以及第二篇中超导电性的发现 ， 吴说 ， “这些是双胞胎论文 ， 每一篇都是美丽的 ， 它们组合起来可以非常强大“吴建议研究结果指出了研究二维拓扑材料的方法 ， 并可能为拓扑量子计算机的新物质基础开辟道路 。
钨二碲化物晶体在普林斯顿大学(Princeton University)生长 ， 而氮化硼晶体在国立材料科学研究所(National Institute for Materials Science)生长 。麻省理工学院的团队建立了实验装置 ， 在超低温下进行了电子传输测量 ， 并对研究所的数据进行了分析 。
同时发现
Jarillo-Herrero指出 ， 使用标准半导体纳米加工和电场效应技术可以将单层钨二碲化物调谐成超导体的发现同时由一群竞争对手实现 ， 包括华盛顿大学的David Cobden教授和Joshua Folk副教授在不列颠哥伦比亚大学 。(他们的 文章 - “单层拓扑绝缘体中的栅极诱导超导” - 在Science First Release上同时发表。)
“这是两组独立完成的 ， 但我们都做了同样的发现 ， ”Jarillo-Herrero说 。“这是最好的事情 ， 你的重大发现立即被复制 。它给社区带来了额外的信心 ， 这是非常真实的 。“
Jarillo -埃雷罗当选为 同胞 基于二维材料和器件的量子电子传输和光电子他的开创性贡献今年早些时候 ， 物理学会 。
走向量子计算
这种新功能可能有用的特定领域是在拓扑绝缘和超导材料的界面处实现Majorana模式 。物理学家在1937年首次预测 ， Majorana费米子可以被认为是电子分裂成两部分 ， 每一部分都表现为一个独立的粒子 。这些费米子在自然界中尚未被发现为基本粒子 ， 但可以在绝对零温度附近的某些超导材料中出现 。
“从物理学的基本观点来看 ， 它本身很有意思 ， 此外 ， 它有望成为拓扑量子计算的兴趣 ， 拓扑量子计算是一种特殊类型的量子计算 ， ”Jarillo-Herrero说 。
Majorana模式的独特之处在于当他们交换位置时他们的异国行为 ， 物理学家称之为“编织”的操作 ， 因为这些交换粒子的时间依赖性痕迹看起来像辫子 。编织操作不能改变像电子或光子这样的规则粒子的量子态 ， 但是编织Majorana粒子完全改变了它们的量子态 。这种被称为“非阿贝尔统计”的不寻常属性是实现拓扑量子计算机的关键 。在一个位置固定Majorana模式也需要磁隙 。
“这项工作非常漂亮 ， ” 加州理工学院理论物理学教授Jason Alicea说  ， 他没有参与这项研究 。“工程Majorana模式所需的基本成分 - 超导性和磁性边缘状态的间隙 - 现已在WTe 2中单独论证 。”
“此外 ， 通过门控观察内在超导性可能是Majorana模式的高级应用的一个重要福音 ， 例如编织以证明非阿贝尔统计 。为此 ， 人们可以设想通过静电手段设计复杂的 ， 动态可调的超导量子自旋霍尔边缘状态网络 。“Alicea说 。“可能性非常令人兴奋 。”

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