Coexisting topological hinges and 1D Rashba states in Bi$_{0.97}$Sb$_{0.03}$ revealed by the Josephson effect

ملخص تقني: تعايش المفاصل الطوبولوجية والمستويات من نوع راشبا أحادية البعد في Bi$_{0.97}$Sb$_{0.03}$

المشكلة والدوافع
يعتمد تحقيق الحوسبة الكمومية الطوبولوجية على تحفيز الموصلية الفائقة في المواد الطوبولوجية لتشكيل حالات مايورانا المترابطة (MBS). وبينما تُعد الحالات الحلزونية أحادية البعد (1D) مرشحات واعدة، فإن تشكلها واستقرارها في ظل وجود عيوب مادية وعدم انتظام هندسي يظل موضوعاً للنقاش. وتحديداً، يُتوقع أن تستضيف العوازل الطوبولوجية من الدرجة الثانية (SOTIs) حالات مفصلية حلزونية أحادية البعد محمية بواسطة التناظرات البلورية. ومع ذلك، كان الدليل التجريبي على هذه الحالات المفصلية، وخاصة استجابتها للعيوب المحلية وقدرتها على استضافة تيار فائق دوري بـ 4$\pi$ (وهو توقيع لحالات مايورانا)، غائباً. علاوة على ذلك، يمثل التمييز بين الأنماط المفصلية المحمية طوبولوجياً والأنماط الحافية البديهية، مثل أنماط راشبا (Rashba modes)، في المواد الواقعية ذات العيوب الهيكلية تحدياً كبيراً. تبحث هذه الدراسة في نظام سبيكة Bi$_{1-x}$Sb$_x$، وتحديداً عند نسبة تطعيم بالانتيمون تبلغ 3% (Bi$_{0.97}$Sb$_{0.03}$)، لتحديد الحالات المفصلية القوية وفهم التداخل بين النقل الطوبولوجي والبديهي عند الحواف.

المنهجية
قام المؤلفون بتصنيع وصلات جوزيفسون (JJs) على رقائق نانوية من Bi$_{0.97}$Sb$_{0.03}$ مقشرة (سمك 50-250 نانومتر) باستخدام الليثوغرافيا بالحزمة الإلكترونية والترسيب بالرش الموضعي في الموقع لأقطاب النيوبيوم (Nb). استخدمت الدراسة تكوينين تجريبيين رئيسيين:

1. وصلات الحافة مقابل وصلات الكتلة: صُممت الوصلات إما لتمتد عبر عرض الرقاقة بالكامل (وصلة حافة JJ) أو لتكون محصورة في المركز بعيداً عن الحواف (وصلة كتلة JJ)، وذلك لعزل توزيع التيار الفائق مكانياً.
2. توصيف النقل: تم قياس التيار الحرج ($I_c$) كدالة للمجال المغناطيسي ($B$) لتحليل أنماط التداخل (SQUID-like مقابل Fraunhofer-like)، وكدالة لدرجة الحرارة ($T$) وطول الوصلة ($L$) لتحديد أنظمة النقل (باليستي مقابل انتشاري).
3. قياسات التردد اللاسلكي (RF): أُجريت قياسات درجات شابيرو (Shapiro steps) تحت إشعاع RF للكشف عن دورية علاقة التيار بالطور (CPR). ويعد كبت درجات شابيرو الفردية يعمل كعلامة على التيارات الفائقة ذات الدورية 4$\pi$.
4. النمذجة النظرية: أُجريت عمليات محاكاة للربط القوي (TB) باستخدام حزمة Kwant، بناءً على نموذج ذي 16 حزمة، لمحاكاة البنى النطاقية مع وجود عدم انتظام هيكلي (درجات) ولتحليل تموضع الدوال الموجية.

النتائج الرئيسية

• أدلة على التيار الفائق للحافة وحالات SOTI:

  • أظهرت وصلات الحافة نمط تداخل واضح من نوع SQUID في $I_c(B)$، مما يشير إلى أن كثافة التيار الفائق ($J_c$) معززة بقوة عند الحواف. في المقابل، أظهرت وصلات الكتلة منحنى $I_c(B)$ غير متذبذب ومتناقص رتيباً، مما يشير إلى نقل باليستي شبه أحادي البعد في الكتلة.
  • كشفت ملفات $J_c$ المستخرجة عن قنوات حافة متعددة، حيث تجاوزت التيارات الحرجة الحد الأقصى النظري لنمط حلزوني واحد، مما يشير إلى وجود أنماط مفصلية متعددة.
  • توافق تحليل درجة الحرارة ($I_c(T)$) جيداً مع نموذج آيلنبرجر للوصلات الباليستية ذات الشفافية العالية للواجهة ($D \approx 0.99$)، مما يؤكد الطبيعة الباليستية لكل من نقل الحافة والكتلة.

• الحماية الطوبولوجية والتيار الفائق 4$\pi$:

  • كشفت قياسات درجات شابيرو عن كبت الدرجات الفردية الأولى والثالثة (n=1, 3) عند 0.9 جيجاهرتز، وهي سمة مميزة للتيارات الفائقة ذات الدورية 4$\pi$ المرتبطة بالحالات غير الفجوية المحمية طوبولوجياً.
  • تم إثبات وجود ارتباط مباشر بين درجة كبت الدرجات الفردية ونسبة التيار الفائق الذي يتم عبر الحافة. الوصلات ذات المساهمات الحافية الأعلى أظهرت كبتاً أقوى، مما يربط تأثير جوزيفسون الجزئي مباشرة بالأنماط المفصلية.
  • زادت نسبة التيار الحرج للحافة إلى الكتلة ($\alpha = I_{c,edge}/I_{c,bulk}$) مع درجة الحرارة حتى 2 كلفن، مما يشير إلى أن الأنماط الحافية تحافظ على نقل مترابط بينما تصبح مساهمات الكتلة انتشارية، وهو ما يتوافق مع الحماية الطوبولوجية.

• دور العيوب الهيكلية وأنماط راشبا:

  • كان التيار الفائق المرصود محمولاً بواسطة قنوات حافة متعددة وعريضة بدلاً من مفصل واحد حاد. كشف المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) ومجهر القوة الذرية (AFM) عن وجود درجات ذرية وعدم انتظام عند حواف الرقاقة.
  • أظهرت محاكاة الربط القوي (TB) أن هذه الدرجات الهيكلية تنشط أنماطاً مفصلية إضافية. والأهم من ذلك، حددت المحاكاة تعايش الأنماط الطوبولوجية لـ SOTI مع حالات راشبا أحادية البعد البديهية عند الحواف.
  • الأنماط من نوع راشبا، رغم أنها ليست محمية طوبولوجياً، هي المسؤولة عن توسيع ملف تيار الحافة (يمتد لـ 100-200 نانومتر). يُعزى مكون الـ 4$\pi$ إلى أنماط SOTI، التي تشكل جزءاً (20%) من إجمالي قنوات الحافة، بينما الغالبية هي من نوع راشبا.
  • في الوصلات الضيقة (W = 300 نانومتر)، اختفى التيار الفائق للحافة. يعزو المؤلفون ذلك ليس إلى الاقتران المباشر لدوال الموجة المفصلية (التي تتركز ضمن بضعة نانومترات)، بل إلى انفتاح فجوة فعالة في حالات راشبا المحيطة، مما يقلل من شفافية الحالات المفصلية الطوبولوجية.

الأهمية والادعاءات
يدعي البحث تقديم أول ارتباط تجريبي مباشر بين تأثيرات جوزيفسون ذات الدورية 4$\pi$ ووجود الأنماط المفصلية في شبه معدن ديراك (Bi$_{0.97}$Sb$_{0.03}$). وتثبت الدراسة أن نظام Bi$_{1-x}$Sb$_x$ هو منصة نموذجية وقابلة للتصميم لـ SOTI. وتشمل المساهمات الرئيسية ما يلي:

1. التحقق من طبيعة SOTI: تأكيد الطبيعة الطوبولوجية للحالات المفصلية من خلال ملاحظة كبت درجات شابيرو الفردية وارتباطها بنقل الحافة.
2. آلية توسيع الحافة: تحديد أن التيارات الحافية العريضة الملاحظة عادة في أنظمة SOTI تنشأ من التعايش بين الأنماط المفصلية الطوبولوجية وحالات راشبا أحادية البعد الناتجة عن عدم الانتظام الهيكلي.
3. الآثار التصميمية: إثبات أن الميزات الهيكلية (الدرجات) يمكن أن تنشط قنوات مفصلية متعددة، مما يوفر مساراً لهندسة الأجهزة الكمومية الطوبولوجية عبر الهندسة النانوية للحواف الاصطناعية.
4. المتانة: إظهار أنه بينما تهيمن حالات راشبا على الامتداد المكاني لتيار الحافة، فإن الحماية الطوبولوجية لأنماط SOTI تضمن استقرار مكون التيار الفائق 4$\pi$ ضد الضجيج الحراري والتباينات الهندسية.

يخلص العمل إلى أن نظام Bi$_{0.97}$Sb$_{0.03}$ يوفر منصة قوية للتقدم في الأجهزة الكمومية الطوبولوجية، مستفيداً من التفاعل بين العيوب الهيكلية المهندسة والخصائص الطوبولوجية الجوهرية.