Transport energii jest kosztowny. Kiedy prąd przepływa przez materiały przewodzące, część energii jest tracona z powodu oporu, gdy cząsteczki w materiale oddziałują na siebie — wystarczy zwrócić uwagę na ciepło z telefonu lub laptopa. Ta strata energii stanowi przeszkodę w rozwoju wielu technologii, a naukowcy poszukują sposobów wytwarzania nadprzewodników, które eliminują opór.

Nadprzewodniki mogą również stanowić platformę dla odpornych na błędy obliczeń kwantowych, jeśli mają właściwości topologiczne. Przykładem tego ostatniego jest kwantowy efekt Halla, w którym topologia elektronów prowadzi do uniwersalnej, „kwantowanej” rezystancji z dokładnością do jednej części miliarda, co znajduje zastosowanie w meteorologii. Niestety, kwantowy efekt Halla wymaga niezwykle silnych pól magnetycznych, zwykle szkodliwych dla nadprzewodnictwa. To sprawia, że ​​poszukiwanie nadprzewodników topologicznych jest trudnym zadaniem.

W dwóch nowych artykułach w Listy z przeglądu fizycznego I Przegląd fizyczny B Fizyk UConn Pavel Volkov i jego współpracownicy proponują, jak eksperymentalnie manipulować cząstkami kwantowymi, zwanymi kwazicząstkami, w bardzo cienkich warstwach zwykłych nadprzewodników, aby stworzyć nadprzewodniki topologiczne poprzez lekkie skręcenie ułożonych warstw.

Volkov wyjaśnia, że ​​prowadzi się wiele badań nad sposobami inżynierii materiałów poprzez układanie warstw materiałów dwuwymiarowych:

„Najbardziej znane zostało to zrobione z grafenem. Ułożenie dwóch warstw grafenu w określony sposób skutkuje wieloma interesującymi nowymi zjawiskami. Niektóre z nich są równoległe do nadprzewodników wysokotemperaturowych, co było nieoczekiwane, ponieważ sam grafen nie jest nadprzewodnikiem. ”

Nadprzewodnictwo występuje, gdy materiał przewodzi prąd bez żadnego oporu lub strat energii. Ponieważ odporność jest wyzwaniem dla wielu technologii, materiały nadprzewodzące mogą potencjalnie zrewolucjonizować sposób, w jaki robimy różne rzeczy, od transmisji energii, przez obliczenia kwantowe, po bardziej wydajne maszyny MRI.

Jednak nadanie nadprzewodnikom właściwości topologicznych jest wyzwaniem, mówi Volkov, a na razie nie ma materiałów, które mogłyby niezawodnie działać jako nadprzewodniki topologiczne.

Naukowcy teoretyzują, że istnieje skomplikowany związek między tym, co dzieje się wewnątrz skręconych warstw nadprzewodnika, a prądem przyłożonym między nimi. Volkov mówi, że przyłożenie prądu powoduje, że kwazicząstki w nadprzewodniku zachowują się tak, jakby znajdowały się w nadprzewodniku topologicznym.

„Skręcenie zasadniczo określa właściwości i, co zabawne, daje bardzo nieoczekiwane właściwości. Pomyśleliśmy o zastosowaniu skręcenia do materiałów, które mają szczególną formę nadprzewodnictwa zwaną nadprzewodnictwem węzłowym” – mówi Volkov.

„Na szczęście dla nas takie nadprzewodniki istnieją i na przykład miedzianowe nadprzewodniki wysokotemperaturowe są nadprzewodnikami węzłowymi. Twierdzimy, że jeśli zastosuje się prąd między dwiema skręconymi warstwami takich nadprzewodników, stanie się on nadprzewodnikiem topologicznym”.

Propozycja nadprzewodnictwa topologicznego indukowanego prądem ma w zasadzie zastosowanie przy dowolnym kącie skrętu, wyjaśnia Volkov, i istnieje szeroki zakres kątów, które optymalizują charakterystykę, w przeciwieństwie do innych badanych do tej pory materiałów.

„To ważne, bo np. w skręconym grafenie dwuwarstwowym obserwacja nowych, ciekawych zjawisk wymaga ustawienia dwóch warstw co 1,1 stopnia, a odchylenia o 0,1 stopnia są mocno szkodliwe. Oznacza to, że trzeba wykonać bardzo dużo próbek” zanim znajdziemy taki, który zadziała. W przypadku naszej propozycji ten problem nie będzie taki zły. Jeśli pominiesz kąt choćby o stopień, nie zniszczy to efektu, który przewidujemy.”

Volkov spodziewa się, że ten topologiczny nadprzewodnik może być lepszy niż cokolwiek innego dostępnego obecnie na rynku. Chociaż jednym zastrzeżeniem jest to, że nie wiedzą dokładnie, jakie będą parametry otrzymanego materiału, mają szacunki, które mogą być przydatne w eksperymentach potwierdzających zasadność.

Naukowcy odkryli również nieoczekiwane zachowania dla specjalnej wartości kąta skrętu.

„Znajdujemy określoną wartość kąta, tak zwany „magiczny kąt”, przy którym powinien pojawić się nowy stan – forma magnetyzmu. Zwykle magnetyzm i nadprzewodnictwo są zjawiskami antagonistycznymi, ale tutaj nadprzewodnictwo rodzi magnetyzm i dzieje się to dokładnie ze względu na skręconą strukturę warstw”. mówi Wołkow.

Eksperymentalne zademonstrowanie tych przewidywań przyniesie więcej wyzwań do pokonania, w tym ulepszanie warstw grubości atomów i określanie trudnych do zmierzenia parametrów, ale Volkov mówi, że za opracowaniem tych bardzo złożonych materiałów kryje się wiele motywacji.

„Zasadniczo głównym dotychczasowym problemem jest to, że kandydujące materiały są trudne w obróbce. Istnieje kilka grup na całym świecie, które próbują to zrobić. Zrealizowano monowarstwy węzłowych nadprzewodników, niezbędne do naszej propozycji, a eksperymenty na skręconych płatkach są w toku. Jednak skręcona dwuwarstwa tych materiałów nie została jeszcze zademonstrowana. To praca na przyszłość”.

Materiały te dają nadzieję na ulepszenie materiałów, których używamy w życiu codziennym, mówi Volkov. Rzeczy już w użyciu, które wykorzystują stany topologiczne, obejmują urządzenia służące do wyznaczania standardów rezystancji z dużą dokładnością. Nadprzewodniki topologiczne są również potencjalnie przydatne w obliczeniach kwantowych, ponieważ służą jako niezbędny składnik propozycji kubitów odpornych na uszkodzenia, jednostek informacji w obliczeniach kwantowych. Volkov podkreśla również obietnicę materiałów topologicznych dla fizyki precyzyjnej,

„Stany topologiczne są przydatne, ponieważ pozwalają nam wykonywać precyzyjne pomiary z materiałami. Topologiczny nadprzewodnik może pozwolić nam na wykonywanie takich pomiarów z niespotykaną dotąd precyzją w zakresie spinu (momentu magnetycznego elektronu) lub właściwości termicznych”.