اتصال جوزفسونی شگفت انگیز
ادامه مطلب:
برای بحث کردن در مورد فیزیک ارزشمندی که این آزمایش ممکن است آشکار کند , نیازمندیم که خواص مرتبط با نارساناهای توپولوژیکی را به یاد بیاوریم. حالت سطح آنها در یک بعد بالاتر به وضعیت لبه ی رسانش در اثر کوانتومی هال و اثر کوانتومی اسپینی هال شبیه است. مانند گرافین , حالت سطح توپولوژیکی نارسانا, برای الکترون ها جرم موثر صفر دارد. بر خلاف گرافین , حالت سطح نارسانای توپولوژیکی برای نقاط دیراک یک عدد فرد است , جایی که سطح فرمی دچار فروریختگی می شود و این اختلاف نتایج دور از دسترسی دارد وقتی که حالت سطح با یک ابررسانا جفت شود.
بسیاری از ابررسانا ها , چه فلزهای ابررسانایی عرفی (سنتی) و چه کوپریت ها (ابررساناهای دارای مس) , سطوح الکترونی را در گرداب های مغناطیسی محدود کرده اند. کار قبلی تئوری بیان کرده است که یک گرداب در در ابررساناهای نامتعارف معین شاید دارای یک سطح محدودیت مایورانا باشد , که به عنوان نصف یک سطح محدودیت معمولی قابل درک است. چنین سطوحی به عنوان شبه ذره حالت جامدی برای فرمیون های مایورانا قابل درک هستند، که برای آن تلاش های تحقیقاتی گسترده ای صورت گرفته است که اخیرا منجر به ارائه ی شواهد آزمایشگاهی شده است. (نقطه نظر 15 مارس 2010 را ملاحضه فرمایید) [3] که توسط Fu و Kane به آن اشاره شد [4] , می توانید نظر Sato را در متن دیگری دنبال کنید [5] , رابطی (پیوندی) که بین ابررسانای معمولی و نارسانای توپولوژیکی وجود دارد سطوح مایورانا را در گردابهای مغناطیسی تقویت میکند و آن سطوح مایورانا می توانند منجر به پدید آمدن اثر جوزفسون شوند. به صورت خلاصه ، رابطه ی استاندارد جریان-فاز (معادله ی 1 توسط وجود شبه ذرات مایورانا ) اصلاح می شود، یکی از نتایج این است که تناوب شار مغناطیسی در جریان مشاهده شده در پیوندگاه می تواند مضاعف گردد.
در آزمایش ویلیامز و همکارانش , وابستگی جریان بحرانی به میدان مغناطیسی به صورت موثر یک اختلاط در رابطه ی جریان-فاز ایجاد میکند چون مسیرهای متفاوت سهم فاز متفاوتی از میدان دارند. روابط جریان-فاز امکان پذیر در نظر گرفته شده است (توسط نویسنده های مقاله اصلی) و نتایج وابستگیِ به میدان با مشاهدات آزمایشگاهی مقایسه شده است. بهترین نتیجه شامل اولین بریدگی متمایز در داده است که از روابط جریان-فاز بدست میآید که اساسا با معادله ی1 متفاوت است.
داده چندین ویژگی نامتعارف را آشکار می کند، از جمله وابستگی های غیرعادی جریان بحرانی به اندازه ی پیوندگاه و همچنین وابستگی به مقاومت وضعیت عادی. اَشکال غیر فرانهوفری در منحنی جریان بحرانی ممکن است توسط تزریق جریان غیر یکنواخت ایجاد شده باشد، که ممکن است نتیجه ای از رفتار عایق توپولوژیکی باشد: اگر اطراف مانع (سد) عایق توپولوژیکی جریان حامل به خوبی جریان بالای سطح باشد، به انطباق الگوهای رابط(محل اتصال) یک-شکاف و دو-شکاف میانجامد و شبیه به داده های آزمایشگاهی به نظر می رسد.[6] در حالی که این توجیه بستگی دارد به سد نارسانای توپولوژیکی که دارای حالت سطحی است. و آن به اصلاح رابطه ی جریان-فاز احتیاجی ندارد , ولی ویژگی های چندگانه ی غیر عادی آزمایشهای ویلیامز و همکارنش بیان می کند که شاید یک توضیح غیر معمول تر نیاز باشد. برای توضیح اثرات مشاهده شده نویسنده مقاله اصلی یک مدل پدیدار شناسی را براساس حالت های وجود مایورانا در رابط ابررسانا-نارسانای توپولوژیکی پیشنهاد می کند.
گروه های مختلفی وجود دارند – به ویژه در Purdue ]7[ , Delft [8] , Weizmann ]9 [– که کار آنها بیان می کند که با استفاده از ابررسانا فرمیون های مایورانا می توانند به وجود آیند. در این آزمایش ها , یک ابررسانا با یک نیمه رسانا ی معمولی در یک میدان مغناطیسی ترکیب می شود, و ویژگی هایی مشاهده می شوند که ممکن است از سطح بسته مایورانا ناشی شده باشد، بر اساس مدل های تئوری. بقیه ی گروه ها فیزیک مشابه ای را جست وجو می کنند در فازهای مشخصی از ابرشاره ی هلیومِ 3. هر یک از مسیرها که در آینده تبدیل به مسیر مفیدتری شود، هیجان انگیز است که می توانیم یکی از پیش بینی های مهم تئوری ابررسانایی را ببینیم. یعنی یک الکترون بدون اسپین یا سیستم سطح-دو می تواند به دو مایورانای شبه ذره“ تجزیه شود” ، به هر حال به نظر می رسد که در حال نزدیکتر شدن به واقعیت های تجربی هستیم.
پیوند به بیرون
1. J. R. Williams, A. J. Bestwick, P. Gallagher, S. S. Hong, Y. Cui, A. S. Bleich, J. G. Analytis, I. R. Fisher, and D. Goldhaber-Gordon, ”Unconventional Josephson Effect in Hybrid Superconductor-Topological Insulator Devices,” Phys. Rev. Lett. 109, 056803 (2012).
2. For a review of 3D topological insulators see M. Z. Hasan and J. E. Moore, “Three-Dimensional Topological Insulators,” Ann. Rev. Cond. Mat. Phys. 2, 55 (2011).
3. M. Franz, “Race for Majorana Fermions,” Physics 3, 24 (2010).
4. L. Fu and C. L. Kane, “Superconducting Proximity Effect and Majorana Fermions at the Surface of a Topological Insulator,” Phys. Rev. Lett. 100, 096407 (2008).
5. M. Sato, “Non-Abelian Statistics of Axion Strings,” Phys. Lett. B 575, 126 (2003).
6. The author is grateful to H.-S. Sim and J. Bardarson for conversations regarding this point.
7. L. P. Rokhinson, X. Liu, and J. K. Furdyna, “Observation of the Fractional ac Josephson Effect: The Signature of Majorana Particles,”arXiv:1204.4212 (2012).
8. V. Mourik, K. Zuo, S. M. Frolov, S. R. Plissard, E. P. A. M. Bakkers, and L. P. Kouwenhoven, “Signatures of Majorana Fermions in Hybrid Superconductor-Semiconductor Nanowire Devices,” Science 336, 1003 (2012).
9. A. Das, Y. Ronen, Y. Most, Y. Oreg, M. Heiblum, and H. Shtrikman, “Evidence of Majorana Fermions in an Al-InAs Nanowire Topological Superconductor,” arXiv:1205.7073 (2012).
ماخذ:
Physics.aps.org/articles/v5/84
منبع:
Unconventional Josephson Effect in Hybrid Superconductor-Topological Insulator Devices
J. R. Williams, A. J. Bestwick, P. Gallagher, Seung Sae Hong, Y. Cui, Andrew S. Bleich, J. G. Analytis, I. R. Fisher, and D. Goldhaber-Gordon
Phys. Rev. Lett. 109, 056803 (2012)
Published July 30, 2012
دانشجویان فیزیک و فیزیکدان های دانشگاه صنعتی اصفهان هستیم.