Topologiczne cząstki w materii skondensowanej
Izolatory topologiczne to niezwykła klasa materiałów. Jedną z ich fascynujących cech jest to, że jako całość zachowują się jak izolatory, ale jednocześnie przewodzą elektryczność na powierzchni. Ponadto w pobliżu nadprzewodników materiały te przejawiają wzbudzenia spełniające wymagania statystyk niekomutatywnych, tzw. fermiony Majorany, które można wykorzystać w komputerach kwantowych. W ramach projektu TOPOSPIN (Scanning tunneling spectroscopy of topological interfaces for future spintronics) naukowcy badali szereg różnych izolatorów topologicznych. Celem badaczy było zidentyfikowanie układów materii skondensowanej, w których możliwe jest wykrycie fermionów Majorany na ich granicy zewnętrznej przy pomocy tunelowej mikroskopii skaningowej. Fermiony Majorany zachowują się równocześnie jak materia i antymateria. Te sprzeczne właściwości sprawiają, że cząstki te są neutralne i minimalizują oddziaływanie z otoczeniem. Owo "odosobnienie" skłoniło badaczy uczestniczących w projekcie TOPOSPIN do poszukiwania sposobów na uzyskanie fermionów Majorany na krawędzi druku o grubości jednego atomu — dokładnie tam, gdzie miały się one znajdować według przewidywań teoretycznych. Uczeni badali warunki, w których na łańcuchu magnetycznych atomów na powierzchni nadprzewodnika mogą znajdować się fermiony Majorany. Jednym z zaskakujących rezultatów ich badań jest to, że nawet krótki łańcuch liczący zaledwie kilkadziesiąt atomów o określonym poziomie energii może zachowywać się jak fermion Majorany. Co jeszcze ważniejsze, naukowcom udało się zbudować układ fizyczny atomów żelaza naniesionych na powierzchnię ultraczystego kryształu ołowiu. Po schłodzeniu układu do – 272°C potwierdzono, że nadprzewodnictwo w drucie o grubości jednego atomu odpowiadało warunkom potrzebnym do podtrzymania fermionu Majorany na końcu drutu. Tunelowa mikroskopia skaningowa pozwoliła także na zbadanie stanów topologicznych materii na krawędziach dwuwarstw bizmutu. Uczestnicy projektu uzyskali jednowymiarową strukturę elektronów rozchodzących się wzdłuż obwodu układu. Te niskowymiarowe układy topologiczne mają szansę odegrać kluczową rolę w uzyskaniu fermionów Majorana. Wyniki badań prowadzonych w projekcie TOPOSPIN otwierają nowe kierunki badań nad zachowaniem izolatorów topologicznych. Prace te mają implikacje dla fizyki materii skondensowanej, ale ponadto pomogły w nawiązaniu owocnej i dobrze rokującej współpracy między wiodącymi instytutami badawczymi w Europie i USA.
Słowa kluczowe
Materia skondensowana, izolatory topologiczne, komputery kwantowe, fermiony Majorany, skaningowy tunelowy
