Fysikere designer 2D-materialer, der leder elektricitet med næsten lysets hastighed

Fysikere ved University of California, Irvine og andre steder har fremstillet nye todimensionelle kvantematerialer med banebrydende elektriske og magnetiske egenskaber, der kan gøre dem til byggesten til fremtidige kvantecomputere og anden avanceret elektronik.

I tre separate undersøgelser, der vises denne måned i Natur , Videnskabens fremskridt og Naturmaterialer , UCI forskere og kolleger fra UC Berkeley, Lawrence Berkeley National Laboratory, Princeton University, Fudan University og University of Maryland udforskede fysikken bag 2D-tilstandene af nye materialer og fastslog, at de kunne skubbe computere til nye højder af hastighed og kraft.

De røde tråde, der løber gennem avisen, er, at forskningen udføres ved ekstremt kolde temperaturer, og at signalbærerne i alle tre undersøgelser ikke er elektroner - som med traditionelle siliciumbaserede teknologier - men Dirac- eller Majorana-fermioner, partikler uden masse, der bevæger sig med næsten lysets hastighed.

"Endelig, vi kan tage eksotiske, avancerede teorier i fysik og gøre noget nyttigt, " sagde UCI lektor i fysik og astronomi Jing Xia, en tilsvarende forfatter på to af undersøgelserne. "Vi undersøger muligheden for at lave topologiske kvantecomputere [på nuværende tidspunkt teoretiske] i de næste 100 år."

En af hovedudfordringerne ved sådan forskning er håndtering og analyse af minimale materialeprøver, kun to atomer tykke, flere mikrometer lange og få mikrometer på tværs. Xias laboratorium på UCI er udstyret med et fiberoptisk Sagnac interferometermikroskop, som han byggede. (Den eneste anden, der eksisterer, er på Stanford University, samlet af Xia, da han var kandidatstuderende der.) Kalder det det mest følsomme magnetiske mikroskop i verden, Xia sammenligner det med et teleskop, som en ornitolog i Irvine kunne bruge til at inspicere øjet på en fugl i New York.

"Denne maskine er det ideelle måleværktøj til disse opdagelser, " sagde UCI-kandidatstuderende Alex Stern, hovedforfatter på to af papirerne. "Det er den mest nøjagtige måde at optisk måle magnetisme i et materiale."

I en undersøgelse, der offentliggøres 24. april i Natur , forskerne detaljerer deres observation - via Sagnac interferometer - af magnetisme i en mikroskopisk flage af chrom germanium tellurid. Sammensætningen, som de skabte, blev set ved minus 387 grader Fahrenheit. CGT er en fætter til grafen, en supertynd atomart kulstoffilm. Siden dens opdagelse, grafen er blevet betragtet som en potentiel erstatning for silicium i næste generation af computere og andre enheder på grund af den hastighed, hvormed elektroniske signaler skitter hen over dens næsten perfekt flade overflade.

Men der er en hage:Visse computerkomponenter, såsom hukommelse og lagersystemer, skal være lavet af materialer, der har både elektroniske og magnetiske egenskaber. Grafen har førstnævnte, men ikke sidstnævnte. CGT har begge dele.

Hans laboratorium brugte også Sagnac-interferometeret til en undersøgelse offentliggjort i Videnskabens fremskridt undersøge, hvad der sker i det præcise øjeblik, bismuth og nikkel bringes i kontakt med hinanden - igen ved en meget lav temperatur (i dette tilfælde, minus 452 grader Fahrenheit). Xia sagde, at hans team fandt ved grænsefladen mellem de to metaller "en eksotisk superleder, der bryder tids-reverseringssymmetri."

"Forestil dig, at du skruer tiden tilbage, og en kop rød te bliver grøn. Ville det ikke gøre denne te meget eksotisk? Dette er virkelig eksotisk for superledere, " sagde han. "Og det er første gang, det er blevet observeret i 2-D materialer."

Signalbærerne i denne 2-D superleder er Majorana fermioner, som kunne bruges til en fletteoperation, som teoretikere mener er afgørende for kvanteberegning.

"Spørgsmålet er nu at forsøge at opnå dette ved normale temperaturer, " sagde Xia. Den tredje undersøgelse viser løfte om at overvinde den forhindring.

I 2012 Xias laboratorium leverede til Defense Advanced Research Projects Agency en radiofrekvensoscillator bygget op omkring samariumhexaborid. Stoffet er en isolator på indersiden, men tillader signalbærende strøm lavet af Dirac-fermioner at flyde frit på dets 2-D overflade.

Ved at bruge et specielt apparat bygget i Xia-laboratoriet - også et af kun to i verden - påførte UCI-forskere trækbelastning på samarium-hexaboridprøven og demonstrerede i Naturmaterialer undersøgelse, at de kunne stabilisere 2-D overfladetilstanden ved minus 27 grader Fahrenheit.

"Tro det eller ej, det er varmere end nogle dele af Canada, " sagde Xia. "Dette arbejde er et stort skridt i retning af at udvikle fremtidige kvantecomputere ved næsten stuetemperatur."