Et nyt kunstigt kvantemateriale til fremtidige højeffektive computere

Forskere ved Tsinghua University og Institute of Physics, det kinesiske videnskabsakademi i Beijing, har demonstreret evnen til at kontrollere materiens tilstande, dermed kontrollere intern modstand, inden for flerlags, magnetisk dopede halvledere ved hjælp af den kvante anomale Hall-effekt.

Den kvante anomale Hall-effekt (QAH) forekommer i nogle specialdesignede materialer, hvor elektroner kan bevæge sig en millimeterskalaafstand uden at miste deres energi. Evnen til at anvende denne effekt på enheder ville tillade en ny revolution i energieffektivitet og beregningshastighed.

I en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Kinesiske fysik bogstaver , forskere siger, at de har fremstillet et kunstigt materiale, der kunne bruges til at udvikle en topologisk kvantecomputer ved hjælp af molekylær stråleepitaxi, en ny teknik, der tillader stabling af enkelt-molekyle-tykke lag af krystal, og ved at udnytte QAH-effekten.

En kvantecomputer udnytter subatomære partiklers evne til at være i flere tilstande på én gang, i stedet for det binære et eller nul set i konventionelle computere, giver dem mulighed for at løse visse typer problemer meget mere effektivt. Den topologiske kvantecomputer ville være et skridt ud over dette. I stedet for fysiske partikler, de bruger en specifik type kvasipartikel kaldet anyon til at kode informationen. Enhver har vist sig at være meget modstandsdygtig over for fejl i både lagring og behandling af information.

"Vi kan realisere QAH-flerlag, eller en stak af flere lag af krystalgitre, der oplever QAH-effekten, med flere magnetisk doterede film adskilt af isolerende cadmiumselenidlag. Da vi gør det ved molekylær stråleepitaksi, det er let at kontrollere egenskaberne for hvert lag for at drive prøven i forskellige tilstande, " siger Ke He, professor ved Tsinghua University. Cadmiumselenid er et molekyle bestående af et cadmiumatom og et selenatom brugt som halvleder; et materiale, hvis ledende egenskaber forskere kan ændre ved at tilføje urenheder.

Evnen til at producere flerlag af tynde krystaller tillader sandwich af en isolerende film mellem lagene, der leder elektricitet, forhindre den uønskede interaktion af elektronerne mellem arkene, på samme måde som vi forsøger at undgå, at ledninger krydser hinanden i elektronik. Disse typer strukturer er meget interessante at studere, fordi de tvinger nogle af elektronerne ind i det, der kaldes en "kanttilstand", som indtil nu, var ret svære at fremstille. Denne "kanttilstand" tjener som en vej for en brøkdel af elektronerne at strømme igennem uden nogen modstand. Ved at have mange lag stablet oven på hinanden, effekten forstærkes ved at skubbe en større del af elektronerne ind i denne tilstand.

"Ved at justere tykkelsen af ​​QAH-lagene og cadmiumselenid-isoleringslagene; vi kan drive systemet ind i et magnetisk Weyl-halvmetal, en materietilstand, der hidtil aldrig er blevet påvist overbevisende i naturligt forekommende materialer."

En Weyl semimetal er en eksotisk tilstand af stof klassificeret som en faststof krystal, der, observeret første gang i juli 2015. Den leder elektricitet ved hjælp af de masseløse Weyl-fermioner frem for elektroner. Denne betydelige masseforskel mellem Weyl-fermioner og elektroner tillader elektricitet at strømme gennem kredsløb mere effektivt, tillader hurtigere enheder.

"Nu, Det, der interesserer mig mest, er at konstruere uafhængigt kontrollerbare QAH-dobbeltlag. Hvis vi kunne få et par mod-udbredende kanttilstande, mens du sætter en superledende kontakt på kanten af ​​prøven, de to kanttilstande kan binde sammen på grund af den superledende kontakt, fører til Majorana-tilstande, som kan bruges til at bygge en topologisk kvantecomputer."

Majorana-tilstande menes at være brugbare i kvantefejlkorrigerende kode, en egenskab unik for topologiske kvantecomputere, og en væsentlig del af informationsteori, der bruges til at reducere naturligt forekommende fejl i datatransmission og til at modvirke virkningerne af interferens. Denne proces kunne også tilbyde muligheden for at behandle kvanteinformation og gemme den mere effektivt i fremtiden.