Magnetism och supraledning i exotiska 2D-metaller för nästa generations kvantkomponenter

Electronic structure measurements and calculations of NiTa4Se8. Credit: Berkeley Lab
Electronic structure measurements and calculations of NiTa4Se8. Credit: Berkeley Lab

Quantum Systems Accelerator (QSA) är pionjär inom studier för att bygga och samkonstruera nästa generation av programmerbara kvantmekanismer. Ett tvärvetenskapligt team av forskare från QSA-institutionerna, Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och University of California, Berkeley (UC Berkeley), i samarbete med Los Alamos National Laboratory, genomförde en serie experiment med en ny typ av skiktad 2D-metall och fann kopplingar i elektroniskt beteende som potentiellt kan vara användbara för tillverkning av komplexa supraledande kvantprocessorer.

Forskningen med denna nya övergångsmetalldikalkogenid (TMD) utnyttjar expertteam vid Berkeley Lab som samarbetar och samutformar inom olika områden samtidigt som de utnyttjar toppmodern nationell kapacitet och instrumentering vid Advanced Light Source och Molecular Foundry. Physical Review B publicerade de experimentella resultaten i december 2022.

Nya experiment för en djupare förståelse av fysiken i nya material

Sökandet efter nya supraledande 2D-material kan ge ledtrådar till många av tillverknings- och materialutmaningarna för supraledande kvantprocessorer som för närvarande använder konventionella material som aluminium, niob och kisel.

TMD är exotiska metaller som naturligt kan tillverkas i mycket tunna skikt med en väldefinierad kristallin struktur som lämpar sig utmärkt för experiment och apparater. De uppvisar unika fysiska egenskaper som beror på interaktionen mellan deras elektroner.

Elektronerna kan lokaliseras till ett fåtal atomer som interagerar starkare med varandra. De tätt packade, nära interagerande elektronerna kan utlösa unika egenskaper och beteenden som supraledning och magnetism. Supraledning möjliggör förflyttning av en elektrisk laddning genom metallen med litet eller inget motstånd. Itinerant magnetism uppstår när elektroner överför magnetism från en atom till en annan istället för att vara lokaliserade till en fast position.

En viktig slutsats i den vetenskapliga litteraturen är att material i allmänhet är supraledare eller magneter, men inte både och. Fasen med ambulerande magnetism ligger dock nära övergången till supraledning. Att upptäcka starka magnetiska egenskaper i den kristallina strukturen hos en TMD är därför en utmärkt utgångspunkt för att söka efter nya supraledare. Men i vilken utsträckning samspelet mellan resande magnetism och supraledning finns i TMD:er har inte klarlagts.

NiTa4Se8 är en ny klass av interkalerade TMD med starkt korrelerade elektroner som rör sig i tvådimensionella plan med ett ferromagnetiskt (nickel) skikt, vilket gör interaktionen eller korrelationen mellan elektronerna starkare. QSA-forskarna som deltog i experimentserien karakteriserade de elektroniska ledningsegenskaperna – transportegenskaperna – i NiTa4Se8 och observerade både resande magnetism och supraledning.

”Jag tycker att det är mycket inspirerande att fysiska lagar ofta är relaterade till en förståelse av symmetrier, så när jag studerar nya material som har unika interna symmetrier, vare sig det är konfigurationen av olika atomer eller vad deras lokala eller globala miljö är, vet jag att det kommer att leda till en annan uppsättning egenskaper för systemet”, säger James Analytis, biträdande professor vid UC Berkeley och fakultetsforskare vid Berkeley Lab, är uppsatsens experimentella ledare.

För att kunna studera egenskaperna hos supraledning och magnetism behövde forskarna förstå de inre symmetrierna i materialet. Analytis och teamet syntetiserade de olika symmetrikonfigurationerna i NiTa4Se8 genom att manipulera systemet av atomer och elektroner i den skiktade kristallina metallen med hjälp av olika kemiska processer och tekniker.

Experimentserien gjorde det möjligt för forskarna att studera hur elektroner beter sig i NiTa4Se8 genom att stapla, manipulera och kontrollera dem i laboratoriet.

Avancerade verktyg och expertis vid DOE:s nationella anläggningar vid Berkeley Lab

För Sinéad Griffin, en av medförfattarna till artikeln och forskningsledare för QSA:s materialgrupp, är upptäckten av nya supraledare en topprioritet för nästa generations supraledande kvantteknik. Griffin utvecklar teoretiska modeller och beräkningar som förutsäger materialegenskaper för att vägleda tillverkning och karakterisering vid labbet.

”Jag är motiverad att hitta en ny typ av fysik eller system som ingen har sett tidigare, så möjligheten att ha denna lekplats av anläggningar och instrument på Berkeley Lab samtidigt som jag är nära det team som utför experiment och mätningar är avgörande. Vi är inte begränsade av vad som finns tillgängligt. Vi är mer begränsade av vår fantasi”, säger Griffin.

Teamet utnyttjade Berkeley Labs avancerade fotoelektronspektroskopiska kapacitet vid ALS, som använder fotoner för att interagera med elektroner för snabbare karakterisering av 2D-material och ytor, inklusive vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi (ARPES) och energidispersiv röntgenspektroskopi (EDS eller EDX), samt pulverröntgendiffraktion för att simulera, karakterisera och studera den komplexa kristallina strukturen hos NiTa4Se8 i de finaste av skalor.

Eli Rotenberg, forskare vid ALS och QSA-forskare, är fascinerad av kvantmaterial med exotiska fysiska egenskaper som beror på växelverkan mellan deras elektroner. Rotenberg är expert på fotoelektronspektroskopi och gjorde detaljerade mätningar av elektronernas beteende och den så kallade Fermi-ytan, en viktig energinivå inom kondenserade materiens fysik för supraledning med utsökt precision.

”Kristaller är som ett vattenglas, fyllt upp till en viss punkt och tomt ovanför där elektroner nära ytan deltar i elektrisk ledning. Den intressanta fysiken i dessa kristallina material uppstår i gränssnittet mellan ockuperade och obesatta tillstånd. Partiklar kan exciteras från den ockuperade till den obesatta sidan och bilda rörliga vågor som överför energiinformation”, förklarar Rotenberg.

Gemensam design påskyndar grundläggande upptäckter

Komplexiteten hos de nya material som studeras för att bygga bättre kvantmekanismer och de många olika mätningarna för att förstå dem kräver toppmoderna instrument och verktyg där varje teknik är specifik för ett system. Materialens egenskaper förändras ofta eller defekter uppstår när de byggs in i kvantkomponenter,

”Man ställer nästan den omvända frågan när man frågar hur jag ska hitta den här nya typen av fenomen som ingen har hittat eller det här resultatet i det systemet eller materialet. Med hjälp av teori kan jag försöka utforma ett material utifrån de grundläggande nyckelingredienserna”, säger Griffin.

NiTa4Se8 är sannolikt inte unikt bland de magnetiska TMD-materialen. Därför drog teamet slutsatsen att sökandet efter korrelerad resemagnetism och okonventionell supraledning i 2D-material kan förbättra förståelsen av de material som potentiellt kan användas för att tillverka alltmer komplexa kvantprocessorer.

Forskarna måste dock fortsätta att bättre förstå de grundläggande nivåerna i dessa typer av 2D-material. QSA fortsätter att utforska lösningar på många tillverkningsutmaningar som kommer att hjälpa till att överbrygga dagens ofullkomliga hårdvarusystem med sådana som kan användas för vetenskaplig påverkan.

”Att ha ett enda team med en enda vision, som i QSA, som har alla tillgängliga verktyg påskyndar processen från grundläggande vetenskap till teknik. Ofta måste man undersöka vilken teknik eller vilka syntesmöjligheter som är bäst lämpade för olika material”, avslutar Analytis.

Ytterligare information: Nikola Maksimovic et al, Strongly correlated itinerant magnetism near superconductivity in NiTa4Se8, Physical Review B (2022). DOI: 10.1103/PhysRevB.106.224429

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.