Topologische supergeleider in zicht

Onderzoekers van de Stichting FOM, het Institute of Physics van de Universiteit van Amsterdam en het National Institute for Materials Science in Tsukuba (Japan) hebben aangetoond dat de elektronen in een topologische supergeleider zich ongewoon gedragen. De elektronen versmelten in exotische paren met bijzondere kwantumeigenschappen. De belangstelling voor topologische supergeleiders is groot, omdat zij als fundamentele bouwstenen kunnen dienen voor toekomstige kwantumcomputers.

Topologische isolatoren vormen een nieuwe groep elektronische materialen met vreemde eigenschappen: ze geleiden aan de binnenkant geen stroom, maar aan het oppervlak (of aan de randen) juist wel. Uitzonderlijk is dat de stroom aan het oppervlak 'topologisch beschermd' is: normale strooiprocessen voor de elektronen zijn uitgeschakeld, en dit stelt toepassing in de spintronica, een nieuw soort elektronica, in het vooruitzicht. Nog spannender is dat sommige topologische isolatoren door een geringe aanpassing van hun samenstelling om te toveren zijn in hun tegenpool: supergeleiders.

Spin-triplet

Het onderzoeksteam rond dr. Anne de Visser keek naar de topologische supergeleider CuxBi2Se3, die bij een temperatuur van ongeveer 3,5 Kelvin supergeleidend wordt. Elektrische transportmetingen laten zien dat de overgangstemperatuur op een unieke, universele manier afhangt van een uitwendig aangelegd magneetveld. Deze bevindingen wijzen erop dat de elektronen koppelen tot supergeleidende spin-triplet paren, in tegenstelling tot spin-singlet paren zoals in de meeste bekende supergeleiders. Dit betekent dat CuxBi2Se3 inderdaad aan een van de belangrijkste voorwaarden voor topologische supergeleiding voldoet.  

Topologische supergeleiders zijn een belangrijke stap inde realisatie van Majorana fermionen. Deze quasideeltjes zijn koploper in de wedstrijd om robuuste kwantumbits te bouwen, vanwege hun bijzondere statistische eigenschappen en de zwakke koppeling met de buitenwereld. Met kwantumbits kunnen supersnelle computers gemaakt worden, zogenoemde topologische kwantumcomputers. Dit onderzoek is onderdeel van het nieuwe FOM-programma 'Topological Insulators' dat net van start is gegaan.

Superconductivity in the doped topological insulator Cu_xBi₂Se₃ under high pressure, T.V. Bay¹, T. Naka², Y.K. Huang¹, H. Luigjes¹, M.S. Golden¹ and A. de Visser^1
1Institute of Physics, Universiteit van Amsterdam, ²National Institute for Materials Science, Tsukuba, Japan. Physical Review Letters 108, 057001 (2012).

Het artikel komt beschikbaar via deze link: http://prl.aps.org/pdf/PRL/v108/i5/e057001