Скрученные ван-дер-ваальсовы гетероструктуры стали полигоном для создания экзотических квантовых фаз. Среди них особое место занимает скрученный купрат BSCCO: теория предсказывает, что при угле 45° он становится топологическим сверхпроводником с хиральными краевыми модами. Однако до сих пор эти моды не удавалось наблюдать напрямую, а величина топологической щели оставалась неизвестной. Работа стоит в русле исследований скрученной сверхпроводимости и топологии в моире, рядом с работами по скрученному графену и другим слоистым системам, но впервые применяет квантовое зондирование к купратным гетероструктурам.
Авторы изготовили устройства из скрученного BSCCO методом криогенного переноса без растворителей. Для наблюдения краевых мод использовали одиночный NV-центр, имплантированный в алмазную нанопиллярную структуру. NV-центр работает как квантовый датчик магнитного поля: его спиновая релаксация ускоряется под действием магнитного шума от квазичастиц в краевых каналах. Сканируя NV-центр над образцом на расстоянии ~60 нм, измеряли скорость релаксации Γ в зависимости от положения и температуры. Для изучения индуцированной полем топологии применяли градиентометрию для реконструкции плотности тока.
В скрученном под 45° BSCCO при 50 К обнаружены два пика скорости релаксации Γ точно на физических краях устройства, что является прямым свидетельством хиральных краевых мод. Зависимость Γ от расстояния до края обратно пропорциональна квадрату расстояния, что согласуется с теорией. Из температурной зависимости Γ оценена топологическая щель Δ ≈ 4 мэВ при 0 К. Топологический переход происходит при температуре T̃_c, которая зависит от угла скрутки: для 45° она совпадает с T_c ≈ 86 К, для 43° составляет 70 К, для 40° — 30 К, а при углах 37° и 24° краевые моды отсутствуют. Приложение продольного магнитного поля 20 Гс создаёт периодическую картину чередующихся доменов с противоположной хиральностью, что указывает на формирование решётки джозефсоновских вихрей.
Работа впервые демонстрирует прямое наблюдение топологических краевых мод в скрученном купрате, что отличает её от предыдущих исследований, основанных на транспортных измерениях или теоретических моделях. Метод квантового зондирования позволяет количественно оценивать топологическую щель и её зависимость от угла скрутки, открывая путь к систематическому изучению топологии в скрученных сверхпроводниках. Это важный шаг к реализации высокотемпературной топологической сверхпроводимости для квантовых вычислений.
Тема может развиваться в направлении более детального изучения краевых мод: их пространственной структуры, спиновой текстуры и динамики. Возможно исследование влияния беспорядка, толщины слоёв и других углов скрутки. Перспективно применение квантового зондирования к другим скрученным системам, таким как скрученный двухслойный графен или дихалькогениды переходных металлов.
Результаты повлияют на физику конденсированного состояния, квантовые технологии и материаловедение. Метод сканирующей квантовой магнитометрии найдёт применение в исследовании широкого класса моире-материалов.
Следующие шаги включают измерение краевых токов с более высоким пространственным разрешением, изучение влияния магнитного поля и температуры на хиральные домены, а также попытки обнаружить майорановские моды в подобных системах.
Работа напрямую связана с проблемой высокотемпературной топологической сверхпроводимости и поиском майорановских фермионов для отказоустойчивых квантовых вычислений. Она также проливает свет на механизмы спаривания в купратах и роль симметрии порядка параметра.
NV-центр в алмазе — это дефект размером с атом, способный почувствовать магнитное поле от одного электронного спина на расстоянии десятков нанометров. В данной работе он выступил в роли «квантового уха», улавливающего шум квазичастиц, бегущих по краю сверхпроводника.
Идея топологически защищённых краевых состояний перекликается с концепцией «изолирующих стен» в научной фантастике, например, с защитными полями в романе «Город перестановок» Грега Игана, где информация хранится в топологических дефектах пространства-времени.