Dr Szczepan Głodzik z UMCS współautorem artykułu w prestiżowym czasopiśmie "Nature"

Praca łączy ze sobą dwa przełomy: wytworzenie heterostruktury złożonej z dwuwymiarowego ferromagnetyka oraz efektywne stworzenie dwuwymiarowego nadprzewodnika topologicznego. Jako specjaliści w dziedzinie wytwarzania nanostruktur z dokładnością do pojedynczych atomów i charakteryzowania cienkich warstw materiałów, koledzy z Aalto University w Finlandii wytworzyli dwuwymiarowe, magnetyczne wyspy bromku chromu.

Podłożem, na którym je umieścili była powierzchnia nadprzewodnika - diselenku niobu. Oba materiały należą do grupy tzw. materiałów van der Waalsa, z których stosunkowo prosto można otrzymywać jednoatomowe warstwy (analogicznie do grafenu). Nadprzewodnictwo i magnetyzm to zaprzysiężeni wrogowie, ale też niezbędne składniki nadprzewodnictwa topologicznego. Do stabilizacji tej ulotnej fazy materii konieczny jest jeszcze jeden komponent - sprzężenie spinowo-orbitalne, czyli oddziaływanie obecne między innymi na powierzchniach materiałów (także na powierzchni NbSe2), które „nachyla” spiny elektronów, w zależności od kierunku ich pędu. W obecności tych trzech składników i odpowiedniego oddziaływania między nimi, grupa z Finlandii, korzystając ze skaningowej mikroskopii tunelowej, zaobserwowała na krawędziach magnetycznych wysp tzw. chiralne mody Majorany. Są to kwazicząstki (czyli kolektywne wzbudzenia elektronowe, zachowujące się w pewien określony sposób) o zerowej energii.

Warto podkreślić, iż materiały topologiczne są aktualnie przedmiotem olbrzymiego zainteresowania zarówno wiodących ośrodków naukowych na świecie jak też firm komercyjnych (np. Microsoft, Google). Ogromna popularność kwazicząstek Majorany i pościg za eksperymentalnym wykazaniem ich obecności, powodowana jest pomysłem na wytworzenie komputera kwantowego, którego podstawowymi elementami byłyby kubity "chronione" przez topologię układu.

Powyższa praca ma jednak większe znaczenie w kontekście badań podstawowych. Relatywnie prosty przepis na wytworzenie nowej fazy materii, jaką jest topologiczne nadprzewodnictwo, otwiera możliwość dalszego poznawania jej egzotycznych właściwości. Oprócz jednowymiarowych, chiralnych modów Majorany na brzegach materiałów realizujących tę fazę, badania teoretyczne wskazują na obecność stanów związanych Majorany, zlokalizowanych na defektach oraz w rdzeniach wirów pojawiających się w nadprzewodnikach topologicznych.

Zadaniem dra Głodzika z UMCS, w tym projekcie, było opracowanie modelu teoretycznego, odzwierciedlającego układ badany w eksperymencie i wykonanie obliczeń numerycznych, zdolnych wykazać czy rzeczywiście mamy do czynienia z topologicznym nadprzewodnictwem. Wyniki obliczeń dra Głodzika okazały się być zgodne z wynikami pomiarów metodą skaningowej mikroskopii tunelowej i jakościowo reprodukowały wszystkie własności chiralnych modów Majorany. Tego rodzaju heterostruktury mogą być w przyszłości wykorzystane do opracowania architektury układów scalonych nowej generacji komputerów.

Link do publikacji: https://www.nature.com/articles/s41586-020-2989-y