Gruppen arbejder på at udvikle topologisk superleder

Den eksperimentelle realisering af ultratyndt grafen - som gav to forskere fra Cambridge Nobelprisen i fysik i 2010 - har indledt en ny tidsalder inden for materialeforskning.

Det, der startede med grafen, har udviklet sig til at omfatte adskillige relaterede enkelt-atom-tykke materialer, som har usædvanlige egenskaber på grund af deres ultratynde. Blandt dem er overgangsmetaldichalcogenider (TMD'er), materialer, der tilbyder flere nøglefunktioner, der ikke er tilgængelige i grafen og fremstår som næste generations halvledere.

TMD'er kunne realisere topologisk superledning og dermed give en platform for kvanteberegning - det ultimative mål for en Cornell-forskningsgruppe ledet af Eun-Ah Kim, lektor i fysik.

"Vores forslag er meget realistisk - derfor er det spændende, "Kim sagde om sin gruppes forskning." Vi har en teoretisk strategi for at materialisere en topologisk superleder ... og det vil være et skridt i retning af at opbygge en kvantecomputer. Superledningens historie i løbet af de sidste 100 år er blevet ledet af utilsigtede opdagelser. Vi har et forslag, der bygger på faste principper.

"I stedet for at håbe på et nyt materiale, der har de egenskaber, du ønsker, " hun sagde, "lad os gå efter det med indsigt og designprincip."

Yi-Ting Hsu, en doktorand i Kim -gruppen, er hovedforfatter til "Topologisk superledning i monolagsovergangsmetal -dichalcogenider, " udgivet 11. april i Naturkommunikation . Andre teammedlemmer inkluderer Kim Group -alumner Mark Fischer, nu på ETH Zürich i Schweiz, og Abolhassan Vaezi, nu ved Stanford University.

Gruppens forslag:TMD'ernes usædvanlige egenskaber favoriserer to topologiske superledende stater, hvilken, hvis eksperimentelt bekræftet, åbner muligheder for manipulation af topologiske superledere ved temperaturer nær absolut nul.

Kim identificerede hullede (positive ladningsforbedrede) enkeltlags-TMD'er som en lovende kandidat til topologisk superledning, baseret på den kendte særlige låsning mellem spin-tilstand og kinetisk energi af elektroner (spin-valley-låsning) af enkeltlags-TMD'er, samt de nylige observationer af superledning i elektron-dopede (negativ ladningsforbedrede) enkeltlags-TMD'er.

Gruppens mål er en superleder, der fungerer ved omkring 1 grad Kelvin (ca. minus 457 Fahrenheit), der kunne afkøles med flydende helium tilstrækkeligt til at opretholde kvanteberegningspotentialet i en superledende tilstand.

Teoretisk set huser en kvantecomputer kraftig nok til at retfærdiggøre den effekt, der er nødvendig for at holde superlederen på 1 grad Kelvin, er ikke udelukket, Sagde Kim. Faktisk, IBM har allerede en 7-qubit (kvantebit) computer, der opererer med mindre end 1 Kelvin, tilgængelig for offentligheden gennem IBM Quantum Experience.

En kvantecomputer med cirka seks gange flere qubits ville fundamentalt ændre computing, Sagde Kim.

"Hvis du kommer til 40 qubits, at computerkraften vil overstige enhver klassisk computer derude, "sagde hun." Og at huse en 40-qubit [kvantecomputer] i kryogen temperatur er ikke så stor en sag. Det bliver en revolution. "

Kim og hendes gruppe arbejder sammen med Debdeep Jena og Grace Xing inden for el- og computerteknik, og Katja Nowack af fysik, gennem en tværfaglig forskergruppefrøbevilling fra Cornell Center for Materials Research. Hver gruppe samler forskere fra forskellige afdelinger, med støtte fra både universitetet og National Science Foundation's Materials Research Science and Engineering Centers -program.

"Vi kombinerer den tekniske ekspertise fra DJ og Grace, og ekspertise Katja har inden for mesoskopiske systemer og superledere, "Sagde Kim." Det kræver forskellig ekspertise at komme sammen for at forfølge dette, og CCMR tillader det. "