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

In de stille wereld van vaste materialen gedragen elektronen zich gewoonlijk als een chaotische menigte, die tegen elkaar botst en alle kanten op verstrooid wordt. Maar onder de juiste omstandigheden kunnen ze synchroniseren in een enkele, fluïde staat die een supergeleider wordt genoemd, waarbij elektriciteit zonder enige weerstand stroomt. Decennialang wisten wetenschappers dat deze staat fragiel is; deze stort meestal in op het moment dat er een magnetisch veld wordt geïntroduceerd, wat de delicate koppeling van elektronen de neiging heeft te verstoren. Echter, een nieuwere klasse magnetische materialen is opgekomen die aan deze verwachting weerstand biedt. Deze materialen, altermagneten en odd-parity magneten genoemd, bezitten een unieke interne structuur waarbij de magnetische krachten netto naar nul uitkomen, terwijl ze toch de energieniveaus van elektronen splitsen op basis van hun spin. Dit creëert een verborgen orde die de supergeleiding niet vernietigt, maar deze in plaats daarvan hervormt, wat potentieel een nieuwe grens in de fysica ontsluit waar elektriciteit informatie kan dragen op manieren die immuun zijn voor de ruis en fouten die de huidige technologie teisteren.

Een onderzoeker aan de Universiteit van Tokio heeft nu nauwkeurig in kaart gebracht hoe deze exotische magneten interageren met supergeleiders, waarbij een landschap van mogelijkheden wordt onthuld dat volledig afhangt van de specifieke vorm van de magnetische orde. Door gedetailleerde computermodellen van deze materialen op zowel vierkante als driehoekige roosters te bouwen, onderzocht de onderzoeker wat er gebeurt wanneer verschillende soorten magneten worden gekoppeld aan supergeleidende elektronen. De focus lag op een familie van magneten gelabeld met de letters p, d, f, g en i, die de complexe geometrische patronen van hun interne magnetische velden beschrijven. De studie toonde aan dat deze magneten niet allemaal op dezelfde manier gedrag vertonen; in plaats daarvan splitsen ze zich in twee verschillende kampen met fundamenteel andere regels. Eén groep, de altermagneten, die de d-, g- en i-typen omvat, verbreekt een fundamentele symmetrie van de tijd, terwijl de andere groep, de odd-parity magneten, die de p- en f-typen omvat, deze juist behoudt. Dit enkele verschil bepaalt of de resulterende supergeleider één soort exotisch deeltje of een ander soort zal huisvesten.

Wanneer de onderzoeker de supergeleider koppelde aan de altermagneten, werd ontdekt dat de magnetische orde actief een draaiende, chirale supergeleidende staat stabiliseert. In deze staat koppelen de elektronen zich op een manier die een volledige energiekloof creëert, wat betekent dat er geen losse elektronen zijn om te verstrooien en weerstand te veroorzaken. Belangrijker nog, deze staat is topologisch, een term die een eigenschap van het materiaal beschrijft die robuust is tegen kleine veranderingen, vergelijkbaar met een knoop die niet ontward kan worden zonder het touw door te snijden. In deze systemen worden de randen van het materiaal snelwegen voor speciale deeltjes genaamd Majorana-fermionen. Deze deeltjes zijn hun eigen antideeltjes en kunnen langs de rand reizen zonder te verstrooien. De onderzoeker vond dat voor de d-golf en g-golf altermagneten, deze randtoestand wordt gekenmerkt door een enkele stroomkanaal, maar voor de i-golf altermagneet is de situatie nog opmerkelijker. In het geval van de i-golf ontstaan er simultaan twee verschillende kanalen van deze randtoestanden, een kenmerk dat cruciaal kan zijn voor het bouwen van complexere kwantumapparaten.

In contrast hiermee, toen de supergeleider werd gekoppeld aan de odd-parity magneten, was de uitkomst anders. Omdat deze magneten de tijdsomkeersymmetrie behouden, dwingen zij de supergeleider niet in een draaiende chirale staat. In plaats daarvan stabiliseren ze een ander soort topologische orde waarbij de Majorana-deeltjes niet alleen in een enkele lijn langs de rand stromen, maar vlakke banden van nul-energetische toestanden vormen. Deze vlakke banden zijn in essentie een breed, stabiel platform van deze exotische deeltjes dat zich tussen de kloven in het energiespectrum van het materiaal bevindt. De onderzoeker merkte op dat, hoewel de magnetische orde in deze systemen onvermijdelijk een kleine menging tussen de supergeleidende toestanden veroorzaakt, de vlakke banden opmerkelijk robuust blijven. Deze veerkracht suggereert dat deze toestanden betrouwbaar kunnen worden gecreëerd en onderhouden, zelfs onder imperfecte, reële omstandigheden.

De studie verhelderde ook waarom sommige supergeleidende toestanden verdwijnen in de aanwezigheid van sterke magnetische orde terwijl andere floreren. Voor de altermagneten wordt de traditionele s-golf supergeleiding, die de meest voorkomende en isotrope vorm is, snel vernietigd naarmate de magnetische sterkte toeneemt. Dit gebeurt omdat de magnetische splitsing elektronen met dezelfde spin dwingt om dezelfde momentumtoestanden te bezetten, wat in strijd is met de vereiste dat de standaard elektronenparen tegengestelde spins moeten hebben. De chirale p-golf staat, die elektronen met dezelfde spin koppelt, is echter niet alleen compatibel met deze magnetische omgeving, maar wordt er zelfs door gestabiliseerd. De onderzoeker observeerde dat naarmate de magnetische sterkte groeide, het materiaal zou overgaan van een standaard supergeleider naar deze exotische chirale staat, een verschuiving die duidelijk zichtbaar was in hun fasediagrammen.

Door systematisch de chemische potentiaal te variëren, die de hoeveelheid elektronen in het systeem controleert, en de sterkte van de interacties tussen hen, construeerde de onderzoeker een uitgebreide kaart van deze fasen. Zij vonden dat de specifieke roosterstructuur van het materiaal, of het nu een vierkant rooster of een driehoekig rooster was, een beslissende rol speelde in welke supergeleidende staat zou ontstaan. Zo werd gevonden dat de f-golf supergeleiding, die een complexer geometrisch patroon betreft, alleen stabiel was op het driehoekige rooster. De resultaten bevestigen dat de wisselwerking tussen deze nieuwe magnetische orden en supergeleiding geen eenvoudige kwestie is van de één die de ander vernietigt, maar eerder een rijke dialoog die geheel nieuwe toestanden van materie kan voortbrengen. Het werk biedt een theoretisch blauwdruk voor het identificeren van welke materialen deze ongrijpbare Majorana-deeltjes zouden kunnen huisvesten, wat toekomstige experimenten stuurt naar de specifieke combinaties van magnetische orde en roostergeometrie die het meest waarschijnlijk succesvol zullen zijn.