Красивое, невероятное
Магнитная дифракционная картина для джозефсоновского перехода с топологическим изолятором. По горизонтальной оси магнитное поле, по вертикальной оси ток через переход. Цвета изображают различное сопротивление; белый цвет соответствует нулю. (Источник: Phys Rev Lett)
Beautiful but anomalous
Magnetic diffraction pattern for a Josephson junction with a topological insulator weak link. The horizontal axis is the applied magnetic field, the vertical axis is the current through the junction. The colours represent the differential resistance with white
Физики увидели намеки на майорановские фермионы
Доказательство существования «майорановских фермионов», - теоретически предсказанных частиц, являющихся собственными античастицами - можно увидеть в поведении нового перехода Джозефсона, по мнению физиков из Стэнфордского университета в США, изучивших свойства джозефсоновского перехода, включающего материал под названием «топологический изолятор», зажатый между двумя сверхпроводящими контактами. Исследователи обнаружили значительные отклонения от того, что обычно наблюдается в джозефсоновских переходах - различия, которые, как они считают, могут быть объяснены с точки зрения квазичастиц, подобных майорановским.
Впервые предсказанные итальянским физиком Этторе Майорана в 1937 году - незадолго до его таинственного исчезновения в возрасте всего лишь 31 год - майорановские фермионы интересны не только потому, что они являются своими собственными античастицами, но и потому, что они должны быть устойчивы к шумам окружающей среды. Майорановские фермионы, другими словами, можно использовать для хранения и передачи квантовой информации без искажения внешним миром, что является проклятием всем тем, кто пытается построить действующий квантовый компьютер.
Несмотря на то, что явные доказательства существования фермионов Майорана до сих пор не получены, теоретики подсчитали, что частице-подобные возбуждения, или квазичастицы, которые выглядят как фермионы Майорана могут существовать на границе, где топологический изолятор - материал, который проводит электричество только по поверхности - расположен рядом с обычным сверхпроводником. Эти квазичастицы называют «модами нулевой энергии», потому что они лежат на поверхности энергии Ферми материала.
В случае перехода Джозефсона, содержащего топологический изолятор, как «слабое звено» между двумя сверхпроводниками, в действительности существует две смежные зоны сверхпроводник-топологический-изолятор, и майороны, как ожидается, объединяются друг с другом с нулевой энергией. Однако, если слабенькое магнитное поле - даже такое малое, как половина сверхпроводящего квантового потока - будет приложено к переходу, то две майорановские моды разделятся, причем обе будут находятся на нулевой энергии.
Самое слабое звено
Дэвид Гольдхабер-Гордон (David Goldhaber-Gordon) и его коллеги из Стэнфорда уже изучали такие переходы и нашли несколько странное поведение, которое они пытались объяснить с точки зрения майорановских фермионов. Когда экспериментаторы строят график сверхпроводящего тока, протекающего через джозефсоновский переход в зависимости от значения магнитного поля, они обычно видят различные «магнитные дифракционные картины» (МДК). Как правило, МДК имеет сильный центральный пик, но в джозефсоновских переходах с топологическим диэлектриком, Гольдхабер-Гордон и его коллеги увидели гораздо более сложную МДК с несколькими неожиданными пиками. Действительно, первый минимум находится на около одной пятой от напряженности магнитного поля, ожидаемого в обычных джозефсоновских переходах.
По Гольдхабер-Гордону, эта более сложная структура может быть связана с нулевой энергией майорановских мод, ожидаемых при определенных значениях магнитного потока. Однако для объяснения наблюдаемой картины дифракции, Гольдхабер-Гордон отмечает, что требуется три, а не одна мода с нулевой энергией. Одна из этих мод может быть связано с майорановским фермионом, в то время как две другие - с традиционными фермионами. Это, по мнению Гольдхабер-Гордона и было предсказано некоторыми теоретиками.
Меньшие критические токи
Другая атипичная особенность, замеченная исследователями - это значение критического тока устройства (выше которого он уже не сверхпроводник) умноженного на его сопротивление в нормальном, не сверхпроводящем состоянии. Это произведение, как правило, пропорционально сверхпроводящему энергетическому зазору, но измеренное значение оказалось намного меньше, чем ожидалось. Причем было также установлено, что оно обратно пропорционально ширине перехода Джозефсона для данного устройства - то есть, размеру устройства перпендикулярно потоку сверхпроводящего тока.
Основываясь на теоретическом описании, опубликованном в 2008 году Чарльзом Кейном (Charles Kane) и Лян-Фу (Liang Fu) из Университете штата Пенсильвания в США, Гольдхабер-Гордон и его коллеги предполагают, что майорановские фермионы связаны с 1D проводом, проходящим по ширине перехода Джозефсона. В результате имеется ряд квантованных уровней энергии, обратно пропорциональных ширине устройства. Ученые предполагают, что зазор между этими уровнями энергий и дает новый и меньший масштаб энергии, выше которого сверхпроводимость перестает существовать - объясняя меньшие измеренные значения.
Хотя ученые проанализировали результаты в контексте майорановских фермионов, Гольдхабер-Гордон подчеркивает, что его группа находится еще только на ранних стадиях изучения поведения переходов между сверхпроводниками и топологическими изоляторами. «Многие аспекты материалов и переходов еще не очень хорошо понимаемы», говорит он. «Мы приветствуем идеи для объяснения этих данных, независимо от того являются ли они майорановскими или нет».