Regler for superledning spejlet i excitonisk isolator

Rice University fysikere dedikeret til at skabe de fungerende komponenter i en fejltolerant kvantecomputer har haft held med at skabe en tidligere uset tilstand af stof.

Den "topologiske excitoniske isolator" blev observeret i test hos Rice af et internationalt hold fra USA og Kina. Forskerne rapporterer deres resultater i denne uge i tidsskriftet Naturkommunikation . Deres enhed kunne potentielt bruges i en topologisk kvantecomputer, en type kvantecomputer, der gemmer information i kvantepartikler, der er "flettet" sammen som knob, der ikke let brydes. Disse stabile, flettede "topologiske" kvantebits, eller topologiske qubits, kunne overvinde en af ​​de primære begrænsninger ved kvanteberegning i dag:Qubits, der er nontopologiske, "dekoherer let" og mister den information, de lagrer.

Konventionelle computere bruger binære data, information, der er gemt som etaller eller nuller. Takket være kvantemekanikkens særheder, qubits kan repræsentere begge, nuller og en tredje tilstand, der er både et et og et nul på samme tid.

Denne tredje tilstand kan bruges til at fremskynde beregningen, så meget, at en kvantecomputer med blot et par dusin qubits kunne afslutte nogle beregninger lige så hurtigt som en mikrochip med en milliard binære transistorer.

I den nye undersøgelse, Risfysiker Rui-Rui Du og tidligere Rice-studerende Lingjie Du (ingen relation) samarbejdede med forskere fra Rice, Peking University og det kinesiske videnskabsakademi for at skabe excitoniske isolatorer lavet af bittesmå skår af ultraren, stablede halvledere. Enheder, som ikke er mere end 100 mikron brede, indeholde et ark indiumarsenid oven på et ark galliumantimon. Når det afkøles i et bad af flydende helium til en kritisk lav temperatur omkring 10 kelvin, en superflydende kvantevæske dannes inde i enhederne, og elektricitet holder op med at passere gennem dem.

"Dette ligner meget processen i en superleder, hvor du har elektroner, der tiltrækkes af hinanden for at danne par, der flyder uden modstand, " sagde Rui-Rui Du, en professor i fysik og astronomi ved Rice og en forsker ved Rice Center for Quantum Materials (RCQM). "I vores tilfælde, elektroner parrer sig med positivt ladede 'elektronhuller' for at skabe en supervæske med en nettoladning på nul."

Lingjie Du, nu postdoc-forsker ved Columbia University, sagde, "Det er en kollektiv effekt, så til en udefrakommende observatør leder systemet elektricitet normalt, indtil det er afkølet til den kritiske temperatur, hvor den pludselig skifter fase til at blive en perfekt isolator."

For at bevise, at enheden var den længe søgte excitoniske isolator, holdet skulle først vise, at væsken var et kvantekondensat. Den opgave faldt på Xinwei Li, en kandidatstuderende i laboratoriet hos RCQM-forskeren Junichiro Kono. Li og Kono, en professor i elektro- og computerteknik ved Rice, skinnede terahertz-bølger gennem enhederne, da de blev afkølet til den kritiske temperatur og fandt ud af, at prøverne absorberede terahertz-energi i to distinkte bånd - en signatur på kvantekondensering.

At vise enheden var topologisk involveret test for elektrisk ledning i et endimensionelt bånd rundt om deres omkreds.

"Denne nye egenskab i kantstaten er den ting, som folk er meget interesserede i, " sagde Rui-Rui Du. "Denne kanttilstand har ingen elektrisk modstand, og du får ledning, hvor elektroner er bundet til deres spin-moment. Hvis de har én type spin, de går med uret, og hvis de har den anden, går de mod uret."

Fletningskredsløb bygget på disse modsatrettede elektronstrømme ville have iboende topologiske signaturer, der kunne bruges til at danne fejltolerante qubits.

"Den anden skønhed ved dette er, at de samme principper stadig gælder ved stuetemperatur, " sagde Rui-Rui Du. "Der er atomisk lagdelte materialer såsom wolframdisulfid, der potentielt kan bruges til at skabe den samme effekt ved stuetemperatur, forudsat at de kunne laves i ren nok form."