Topological superconductors and Majorana fermions based on $X$-wave magnets with $X=p,d,f,g,i$

In der stillen Welt fester Materialien verhalten sich Elektronen normalerweise wie eine chaotische Menge, die gegeneinander prallt und in alle Richtungen streut. Doch unter den richtigen Bedingungen können sie sich zu einem einzigen, flüssigen Zustand synchronisieren, der als Supraleiter bekannt ist, in dem Elektrizität ohne jeglichen Widerstand fließt. Seit Jahrzehnten wissen Wissenschaftler, dass dieser Zustand zerbrechlich ist; er bricht normalerweise in dem Moment zusammen, in dem ein Magnetfeld eingeführt wird, welches dazu neigt, die empfindliche Paarung der Elektronen zu stören. Ein neuerer Typ magnetischer Materialien ist jedoch aufgetaucht, der diese Erwartung widerlegt. Diese Materialien, Altermagnete und ungeradzahlige (odd-parity) Magnete genannt, besitzen eine einzigartige interne Struktur, in der sich die magnetischen Kräfte im Gesamten zu Null aufheben, aber dennoch die Energieniveaus der Elektronen basierend auf ihrem Spin aufspalten. Dies erzeugt eine verborgene Ordnung, die die Supraleitung nicht zerstört, sondern sie stattdessen umgestaltet, was potenziell eine neue Grenze der Physik erschließt, in der Elektrizität Informationen auf eine Weise übertragen könnte, die immun gegen das Rauschen und die Fehler ist, die heutige Technologien plagen.

Ein Forscher an der Universität Tokio hat nun genau kartiert, wie diese exotischen Magnete mit Supraleitern interagieren, und dabei eine Landschaft der Möglichkeiten aufgezeigt, die vollständig von der spezifischen Form der magnetischen Ordnung abhängt. Durch den Aufbau detaillierter Computermodelle dieser Materialien auf sowohl quadratischen als als auch dreieckigen Gittern untersuchte der Forscher, was passiert, wenn verschiedene Arten von Magneten mit supraleitenden Elektronen gepaart werden. Er konzentrierte sich auf eine Familie von Magneten, die mit den Buchstaben p, d, f, g und i bezeichnet werden, welche die komplexen geometrischen Muster ihrer internen Magnetfelder beschreiben. Die Studie ergab, dass sich diese Magnete nicht alle gleich verhalten; stattdessen spalten sie sich in zwei unterschiedliche Lager auf, die grundlegend verschiedene Regeln befolgen. Eine Gruppe, die Altermagneten, zu denen die Typen d, g und i gehören, bricht eine fundamentale Symmetrie der Zeit, während die andere Gruppe, die ungeradzahligen Magnete, die p- und f-Typen umfasst, diese bewahrt. Dieser einzige Unterschied entscheidet darüber, ob der resultierende Supraleiter eine Art exotischer Teilchen oder eine andere beherbergt.

Als der Forscher den Supraleiter mit den Altermagneten koppelte, entdeckte er, dass die magnetische Ordnung aktiv einen wirbelnden, chiralen supraleitenden Zustand stabilisierte. In diesem Zustand paaren sich die Elektronen so, dass eine vollständige Energielücke entsteht, was bedeutet, dass es keine losen Elektronen gibt, die streuen und Widerstand verursachen könnten. Noch wichtiger ist, dass dieser Zustand topologisch ist – ein Begriff, der eine Eigenschaft des Materials beschreibt, die gegenüber kleinen Änderungen robust ist, vergleichbar mit einem Knoten, der nicht gelöst werden kann, ohne das Seil durchzuschneiden. In diesen Systemen werden die Kanten des Materials zu Autobahnen für spezielle Teilchen, die Majorana-Fermionen genannt werden. Diese Teilchen sind ihre eigenen Antiteilchen und können entlang der Kante reisen, ohne zu streuen. Der Forscher fand heraus, dass für die d-Wellen- und g-Wellen-Altermagneten dieser Randzustand durch einen einzelnen Kanal des Flusses charakterisiert ist, aber für den i-Wellen-Altermagneten ist die Situation noch bemerkenswerter. Im Fall des i-Wellen-Altermagneten entstehen gleichzeitig zwei distinkte Kanäle dieser Randzustände, ein Merkmal, das entscheidend für den Bau komplexerer Quantengeräte sein könnte.

Im Gegensatz dazu war das Ergebnis anders, als der Supraleiter mit den ungeradzahligen Magneten gepaart wurde. Da diese Magnete die Zeitumkehrsymmetrie bewahren, zwingen sie den Supraleiter nicht in einen wirbelnden chiralen Zustand. Stattdessen stabilisieren sie eine andere Art von topologischer Ordnung, bei der die Majorana-Teilchen nicht einfach in einer Linie entlang der Kante fließen, sondern flache Bänder von Nullenergie-Zuständen bilden. Diese flachen Bänder sind im Wesentlichen eine breite, stabile Plattform dieser exotischen Teilchen, die zwischen den Lücken im Energiespektrum des Materials existiert. Der Forscher stellte fest, dass die flachen Bänder selbst dann bemerkenswert robust bleiben, wenn die magnetische Ordnung in diesen Systemen unweigerlich eine winzige Mischung zwischen den supraleitenden Zuständen verursacht. Diese Resilienz deutet darauf hin, dass diese Zustände selbst unter unvollkommenen realen Bedingungen zuverlässig erzeugt und aufrechterhalten werden können.

Die Studie klärte auch auf, warum einige supraleitende Zustände in Gegenwart starker magnetischer Ordnung verschwinden, während andere florieren. Für die Altermagneten wird die traditionelle s-Wellen-Supraleitung, die häufigste und isotropeste Form, schnell zerstört, sobald die magnetische Stärke zunimmt. Dies geschieht, weil die magnetische Aufspaltung Elektronen mit demselben Spin dazu zwingt, dieselben Impulszustände einzunehmen, was im Widerspruch zu der Anforderung steht, dass die standardmäßigen Elektronenpaare entgegengesetzte Spins haben müssen. Der chirale p-Wellen-Zustand hingegen, der Elektronen mit demselben Spin paart, ist nicht nur mit dieser magnetischen Umgebung kompatibel, sondern wird durch sie sogar stabilisiert. Der Forscher beobachtete, dass das Material mit zunehmender magnetischer Stärke von einem Standard-Supraleiter zu diesem exotischen chiralen Zustand übergeht, ein Übergang, der in ihren Phasendiagrammen deutlich sichtbar war.

Indem er das chemische Potenzial, welches die Anzahl der Elektronen im System steuert, und die Stärke der Wechselwirkungen zwischen ihnen systematisch variierte, konstruierte der Forscher eine umfassende Karte dieser Phasen. Er fand heraus, dass die spezifische Gitterstruktur des Materials, ob ein quadratisches oder ein dreieckiges Gitter, eine entscheidende Rolle dabei spielte, welcher supraleitende Zustand hervorgeht. Beispielsweise wurde festgestellt, dass die f-Wellen-Supraleitung, die ein komplexeres geometrisches Muster beinhaltet, nur auf dem dreieckigen Gitter stabil ist. Die Ergebnisse bestätigen, dass das Zusammenspiel zwischen diesen neuen magnetischen Ordnungen und der Supraleitung keine einfache Angelegenheit ist, bei der die eine die andere zerstört, sondern vielmehr ein reicher Dialog sein kann, der völlig neue Materiezustände hervorbringt. Die Arbeit liefert einen theoretischen Bauplan zur Identifizierung jener Materialien, die diese schwer fassbaren Majorana-Teilchen beherbergen könnten, und leitet zukünftige Experimente hin zu den spezifischen Kombinationen aus magnetischer Ordnung und Gittergeometrie, die am wahrscheinlichsten erfolgreich sein werden.