Две группы физиков независимо друг от друга обнаружили, что двумерный дителлурид вольфрама при температурах ниже одного кельвина может превращаться из топологического изолятора в сверхпроводник. Этот переход можно проводить контролируемо и обратимо за счет увеличения концентрации электронов в материале при изменении внешнего электрического поля.

По словам авторов обоих исследований, опубликованных Science, это первый материал, в котором наблюдался такой переход, и в будущем он может использоваться для получения майорановских фермионов или при разработке топологических квантовых компьютеров.

Топологические изоляторы — материалы, в которых электроны на поверхности и в объеме ведут себя принципиально по-разному. Если основная часть топологического изолятора, находящаяся вдали от границ, — это диэлектрик или полупроводник, то на поверхности материала возникает очень тонкий проводящий слой, в котором носители заряда ведут себя аналогично электронам, например, в графене: их импульс и энергия связаны линейно, и ведут они себя как безмассовые частицы. Устойчивость такой структуры связана с топологической защитой поверхностных электронных состояний, из-за которой они не могут быть разрушены структурными дефектами или немагнитными примесями.

Помимо объемных топологических изоляторов, сейчас активно исследуются и двумерные материалы с аналогичными свойствами. В них топологическая защита может быть реализована не только для электронных состояний, но и, например, для экситонов, а в двумерных метаматериалах — и для фононов. Поскольку топологические изоляторы, в том числе двумерные, — весьма перспективные материалы (в частности, для спиновой электроники), интерес представляют условия (в первую очередь — температурный режим, химический состав, магнитное и электрическое поле), при которых такие электронные состояния возникают и разрушаются, а также — каким образом при этом меняются физические свойства материала.

Сразу две группы физиков обнаружили, что один из двумерных топологических изоляторов — дителлурид вольфрама, WTe₂ — однослойный полуметалл с гексагональной структурой (который предлагают использовать, например, в современных многослойных ван-дер-ваальсовых структурах) при температурах, очень близких к абсолютному нулю, может превращаться из топологического изолятора в сверхпроводник.

Ученые из США, Франции, Великобритании и Японии под руководством Пабло Харильо-Эрреро (Pablo Jarillo-Herrero) из Массачусетского технологического института обнаружили этот эффект при исследовании поведения двумерного дителлурида вольфрама станадратным четырехэлектродным методом. В эксперименте небольшой участок двумерного кристалла зажимали между двумя слоями гексагонального нитрида бора толщиной в несколько нанометров. В четырехэлектродном полевом транзисторе нитрид бора выполнял функцию диэлектрика, с помощью которого можно было контролировать концентрацию носителей заряда, за счет чего при изменении напряжения затвора концентрацию электронов физики меняли в диапазоне от 10¹² до 10¹³ электронов на квадратный сантиметр.

Схема устройства для изучения электронных состояний дителлурида вольфрама в работе Пабло Харильо-Эрреро/Valla Fatemi et al./ Science, 2018

Схема устройства для изучения электронных состояний дителлурида вольфрама в работе Джошуа Фолка/Ebrahim Sajadi et al./ Science, 2018

Оказалось, что при температурах ниже одного кельвина (это около −272 градусов по Цельсию) и концентрации электронов около 5•10¹² электронов на квадратный сантиметр электронная структура дителлурида вольфрама резко меняется, и из топологического изолятора материал превращается в сверхпроводник — сопротивление вдали от границ материала падает с 10⁷ ом до уровня шума.

Фазовая диаграмма электронных состояний двумерного дителлурида вольфрама в завсисмости от температуры и концентрации носителей заряда. QSHI – фаза топологического изолятора. Справа приведены зависимости сопротивления от температуры и проводимости от приложенного напряжения/Valla Fatemi et al./ Science, 2018

Другая группа физиков из Канады и США под руководством Джошуа Фолка (Joshua A. Folk) из Университета Британской Колумбии провела очень похожий эксперимент, в котором лишь немного отличалась геометрия транзистора. В результате им удалось обнаружить точной такой же переход и более точно определить температуру перехода. По словам авторов обеих работ, открытие было сделано одновременно и независимо друг от друга.

Авторы исследований отмечают, что это первый материал, в котором удалось увидеть переход между состояниями топологического изолятора и сверхпроводника. При этом процесс переключения между состояниями полностью обратим. Однако максимальная температура, при которой можно наблюдать подобный переход в дителлуриде вольфрама, очень низкая — всего 0,518 кельвина. При этом при температурах от абсолютного нуля до температуры кипения жидкого азота однослойный дителлурид вольфрама может находиться в трех различных состояниях и быть либо проводником, либо топологическим изолятором, либо сверхпроводником.

Физики надеются, что возможность перехода из состояния топологического изолятора в состояние сверхпроводника может быть использована для получения реальных майорановских частиц, которые являются античастицами по отношению к самим себе, а также при разработке квантовых компьютеров, топологически защищенных от разрушения квантового состояния.