Nya topologiska supraledare från platta band, orbitaleffekter och kritiska punkter

Projekttitel: Nya topologiska supraledare från platta band, orbitaleffekter och kritiska punkter
Huvudsökande: Annica Black-Schaffer, avdelningen för materialteori
Beviljade medel: 3 259 000 för perioden 2019-2022
Finansiär: Projektbidrag från Vetenskapsrådet

Detta forskningsprojekt syftar till att teoretiskt upptäcka och karakterisera helt nya kvantmateriafaser i riktiga material genom att på ett nydanande sätt kombinera global topologi och lokal supraledande ordning.

Topologi har fått en oerhört stor roll inom fysiken de senaste tio åren. Ett enkelt exempel på topologi är hur många hål ett objekt har. Medan bullen har noll hål så definieras munken att sitt enda hål och kringlan av sina två hål. Antalet hål definierar ett topologiskt index för objektet vilket är en global egenskap, där till exempel en liten myra på ytan av ett stort objekt inte kan särskilja antalet hål och därmed topologin. På samma sätt kan material ha olika global topologi hos sina elektroniska tillstånd och dessas energier. Icke-trivial topologi ger dessutom upphov till oväntade egenskaper. Framförallt har alla topologiska material tillstånd vid noll energi på sina ytor. I topologiska supraledare kan dessa nolltillstånd på ytor dessutom vara Majoranafermioner. Man kan approximativt säga att en Majoranafermion är en halv elektron, eller mer korrekt uttryckt, i ett material med Majoranafermioner har man lyckats splittra upp en elektrons vågfunktion i två rumsligt helt separata delar. Detta är bara ett av många exempel på hur topologi kan resultera i märkliga, ofta icke-lokala, fenomen.

Förutom att ge upphov till helt oväntade egenskaper så har topologi också gett oss ett nytt och mycket kraftfullt verktyg att klassificera materia, där olika topologiska klasser av material definieras utifrån sina topologiska index. Traditionellt har dock klassificeringen och förståelsen av materia förlitat sig på Landaus paradigm där spontan symmetribrytning ger upphov till lokala orderparametrar. Ett enkelt exempel på lokal ordning är magnetism som uppkommer då elektronspinnen inte längre är fria att rotera i rummet utan restriktioner; vi säger att den magnetiska ordningen bryter spinnrotationssymmetrin och vi använder den lokala magnetiska orderparametern för att definiera klassen magnetiska material. Supraledning är ett annat ordnat tillstånd där det är den lokala parbildningen mellan elektroner som utgör orderparametern.

I topologiska supraledare förenas naturligt global topologi och lokal (supraledande) ordning och därmed också de två vitt skilda sätten att klassificera materia. Detta ger inte bara möjlighet att finna ny fundamental kunskap om naturen utan öppnar också dörren för unika möjligheter att hitta helt nya kvantmateriafaser. Även om ett fåtal topologiska supraledare redan existerar och utforskas intensivt, så har detta fält en enorm potential för nya upptäckter på grund av den naturligt rikliga variationen av både material och olika supraledande orderparametrar. Dessutom ger utsikterna att hitta Majoranafermioner och andra exotiska tillstånd bara tillgängliga i supraledare enastående möjligheter för stora teknologiska framsteg, allt från robusta topologiska kvantdatorer till supraledning vid rumstemperatur.

Målet med detta projekt är att upptäcka och karakterisera helt nya kvantmekaniska faser för materia genom att kombinera global topologi och lokal supraledande ordning. Mer specifikt ämnar projektet skapa ny topologisk supraledning genom två olika tillvägagångssätt. I del (A) kommer jag utforska hur komplexa men ändå vanliga normala (dvs. ej supraledande) material i kombination med supraledning kan ge upphov till topologisk supraledning. Framförallt kommer jag undersöka topologiska system med så kallade platta band som har potential att ge supraledning vid mycket höga temperaturer och material med flera aktiva orbitaler vilka har stor kapacitet för ny exotisk topologisk supraledning. I del (B) kommer jag fokusera på nya sätt att bryta tidsinversionen i det supraledande tillståndet och på så sätt generera topologiska tillstånd. Tidsinversion har förut ansetts ganska svår att bryta vid supraledning, men jag har preliminära resultat som visar att detta kanske är mycket vanligare än vi förut trott. Specifika landvinningar spänner från att skapa supraledning i rumstemperatur genom att använda topologiska system med platta band som återfinns i till exempel grafenmaterial, till nya kirala topologiska supraledare i starkt korrelerade material och nya exotiska fenomen i nematiska multiorbitalsupraledare. Den övergripande ambitionen är att öppna upp helt nya gränstrakter för materia där global topologi och lokal supraledande ordning är naturligt sammanflätade.