Crédito: Zhao et al.
El estaneno es un aislante topológico formado por átomos dispuestos de forma similar a los del grafeno. Las películas de estaneno han resultado prometedoras para la realización de numerosas fases físicas intrigantes, como la fase Hall de espín cuántico y la superconductividad intrínseca.


Algunos estudios teóricos también han sugerido que estas películas podrían albergar superconductividad topológica, un estado especialmente valioso para el desarrollo de la tecnología de computación cuántica. Sin embargo, hasta ahora los estados topológicos de borde en el estano no se habían observado de forma fiable y consistente en entornos experimentales.

Investigadores de la Universidad Jiao Tong de Shanghai, la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, la Universidad de Henan, la Universidad de Zhengzhou y otros institutos de China han demostrado recientemente la coexistencia de estados topológicos de borde y superconductividad en películas de estano de una a cinco capas colocadas sobre el sustrato Bi(111). Sus observaciones, recogidas en un artículo publicado en Physical Review Letters, podrían tener importantes implicaciones para el desarrollo de dispositivos cuánticos basados en el estano.

"El presente trabajo es un último paso adelante en nuestra investigación sistemática tras nuestro trabajo anterior publicado en 2015, que representó el primer informe sobre el crecimiento exitoso de una capa monoatómica (ML) de estano", dijo Jinfeng Jia, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio, a Phys.org. "El reto ha sido que, en ese momento, el sustrato Bi2Te3 impone una tensión de compresión a la capa de estaneno, lo que conduce a un solapamiento desfavorable entre sus bandas de conducción y valencia".

A partir de los hallazgos anteriores, el equipo de Jia y otros grupos de investigación de todo el mundo han tratado de lograr la superconductividad topológica en el estano colocado sobre diversos sustratos con mayores limitaciones de red que el Bi2Te3, ya que éstos podrían conservar la topología no trivial del estano. Sin embargo, hasta ahora muy pocos lo habían conseguido.

Para construir tecnologías de computación cuántica eficientes basadas en películas de estaneno, los físicos tendrán que identificar primero un sustrato que pueda utilizarse para hacer crecer estaneno estable con propiedades topológicas no triviales y superconductividad intrínseca. Esto es lo que Jia y sus colegas se propusieron hacer en su reciente artículo.
Crédito: Zhao et al.
"El objetivo final de nuestro reciente trabajo es conseguir el superconductor topológico en el estano, un sistema de material de un solo elemento", dijo Jia. "Ese sustrato deseable fue identificado por nuestro estudio teórico más reciente, apuntando al sustrato Bi(111)".

En sus experimentos, Jia y sus colegas realizaron mediciones mediante microscopía de barrido en túnel y espectroscopia a una temperatura ultrabaja de 400mK. Estos métodos les permitieron detectar estados topológicos de borde localizados en sus muestras de estano en la escala nanométrica y confirmar el emparejamiento superconductor en el material.

"Nuestros cálculos de primeros principios confirmaron además la topología no trivial de esas películas y la importancia vital del significativo acoplamiento de orbitales de espín que proporciona el sustrato Bi(111)", explicó Jia. "También demostramos que el hidrógeno es indispensable para alterar el modo de crecimiento para que crezca suave y por capas".

El reciente trabajo de este equipo de investigadores demuestra de forma concluyente la coexistencia de estados topológicos de borde y superconductividad en las películas de estano. A diferencia de otras realizaciones anteriores de estos estados, en su muestra estas dos propiedades se engloban en un sistema de un solo elemento, en lugar de en una complicada heteroestructura.

Las cortas longitudes de penetración bilateral de los estados de borde observados por Jia y sus colegas son especialmente favorables para el desarrollo de dispositivos conductores de bajas pérdidas con canales de borde densos. Además, la plataforma de la película de estano identificada por los investigadores podría permitir el desarrollo de dispositivos de computación cuántica topológica basados en menos capas de estano.

"Para el sistema de estano/Bi (111), el siguiente paso es identificar la simetría de emparejamiento de su superconductividad y realizar modos cero de Majorana creando límites para el canal de borde de bucle cerrado", añadió Jia. "El objetivo de nuestro grupo, a largo plazo, es realizar la operación de trenzado de los modos de Majorana e incluso avanzar hacia la computación cuántica topológica".

Más información: Chenxiao Zhao et al, Coexistence of Robust Edge States and Superconductivity in Few-Layer Stanene, Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.206802
Revista: Physical Review Letters