研究示意图。图片来源：《自然•材料》
科技日报记者 张梦然
将两种具有特殊电学特性的材料（单层超导体和拓扑绝缘体）结合起来的新方法，为探索拓扑超导这种不寻常形式提供了迄今为止的最佳平台。美国宾夕法尼亚大学研究人员在27日《自然·材料》杂志发表的一篇论文中描述了如何将这两种材料“配对”。这种组合为拓扑量子计算机提供比传统计算机更稳定的基础。
超导体允许电流在没有阻力的情况下通过，而拓扑绝缘体是只有几个原子厚的薄膜，可限制电子向其边缘移动，从而产生独特的特性。
在这项研究中，研究人员使用了分子束外延技术来合成拓扑绝缘体和超导薄膜，并创建了一个二维异质结构，这是探索拓扑超导现象的绝佳平台。在先前结合这两种材料的实验中，一旦拓扑绝缘层在顶部生长，薄膜中的超导性通常会消失。在实验室中，物理学家可将拓扑绝缘体薄膜添加到三维“体”超导体上，并保留这两种材料的特性。但拓扑超导体的应用，例如量子计算机或智能手机中的低功耗芯片，需要的是二维产品。
在最新研究中，团队在单层二硒化铌制成的超导薄膜上堆叠了不同厚度的硒化铋制成的拓扑绝缘体薄膜，得到了最终的二维产品。通过在非常低的温度下合成异质结构，团队能够同时保留其拓扑和超导特性。
巧妙地调整拓扑绝缘体的厚度后，研究人员发现异质结构从伊辛型超导（电子自旋垂直于薄膜）转变为拉什巴型超导（电子自旋与薄膜平行），研究人员在理论计算和模拟中也观察到了这种现象。这种异质结构也可能是探索马约拉纳费米子的重要途径。马约拉纳费米子是一种难以捉摸的粒子，在使拓扑量子计算机比其前辈更稳定的道路上，马约拉纳费米子将是一个关键因素。
研究人员表示，他们将在后续工作中找到拓扑超导的证据，而一旦获得了拓扑超导性的确凿证据并证明了马约拉纳物理学，那么这种类型的系统就可适用于量子计算和其他应用。