日本研究人员直接观测到狄拉克线节点,有助拓扑量子计算机开发

新技术 2018年08月28日
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日本东北大学与高能加速器研究机构组成的联合研发小组通过同步辐射角分辨光电子能谱(ARPES)实验发现,与石墨烯拥有相同蜂窝状晶格的二硼化铝(AlB2,图1)是一种具备新型电子状态的物质,这种电子状态为线节点型狄拉克粒子。

MgB2(或AlB2)的晶体结构

图1:MgB2(或AlB2)的晶体结构。

将铝(Al)换成镁(Mg)的二硼化镁(MgB2)是在温度达到39K时显示出超导特性的高温超导体,通过使新发现的狄拉克粒子超导化,有望大幅升高此前只能在极低温度下实现的拓扑超导体的转变温度。这一发现将为开发抗噪型拓扑量子计算机开辟新道路。

相关论文入选美国物理学会杂志《Physical Review B》的热门速报论文 (Rapid Communication & Editors’ suggestion),于2018年7月17日在线公开。

研究内容

此次,联合研发小组将MgB2中的Mg换成电子数多1个的Al,制作了高品质的AlB2单晶体,在同步辐射科学研究设施光子工厂(Photon Factory: PF)中,利用基于软X射线的角分辨光电子能谱(图2),确定了AlB2的电子状态。结果如图3(a)所示,明确观测到了狄拉克粒子的特征—— X字型能带分散。

软X射线角分辨光电子能谱的概念图

图2:软X射线角分辨光电子能谱的概念图

此外,研发小组还通过高精度测量发现,AlB2的狄拉克粒子具备“线节点”型特殊电子状态,在改变能量的同时与面垂直方向相连。原因如图 1(a)的虚线所示, AlB2的蜂窝状晶格是AA层叠结构,即上晶格与下晶格以的相同的图案层叠。因此,尽管是三维物质,但其狄拉克粒子与石墨烯等单原子层物质一样,具备强大的拓扑性质。综上所述,通过此次的研究成果确认,AlB2具备能成为拓扑超导体的特殊电子状态。

(a)通过角分辨光电子能谱获得的AlB2在(b)中所示3处测量点 (A, B, C)的能带分散

图 3: (a)通过角分辨光电子能谱获得的AlB2在(b)中所示3处测量点 (A, B, C)的能带分散

文 客观日本编辑部

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