Begrænsninger afsløret i lovende kvantecomputermateriale

Kvantecomputere lover at udføre operationer af stor betydning, som menes at være umulige for vores teknologi i dag. Nuværende computere behandler information via transistorer, der bærer en af ​​to informationsenheder, enten et 1 eller et 0. Kvanteberegning er baseret på den logiske enheds kvantemekaniske opførsel. Hver kvanteenhed, eller "qubit, " kan eksistere i en kvantesuperposition i stedet for at tage diskrete værdier. De største forhindringer for kvanteberegning er selve qubits - det er en løbende videnskabelig udfordring at skabe logiske enheder, der er robuste nok til at bære instruktioner uden at blive påvirket af det omgivende miljø og deraf følgende fejl.

Fysikere har teoretiseret, at en ny type materiale, kaldet en tredimensionel (3-D) topologisk isolator (TI), kunne være en god kandidat til at skabe qubits, der vil være modstandsdygtige over for disse fejl og beskyttet mod at miste deres kvanteinformation. Dette materiale har både et isolerende indre og metalliske top- og bundflader, der leder elektricitet. Den vigtigste egenskab ved 3D-topologiske isolatorer er, at de ledende overflader forventes at blive beskyttet mod påvirkning fra omgivelserne. Der findes få undersøgelser, der eksperimentelt har testet, hvordan TI'er opfører sig i det virkelige liv.

En ny undersøgelse fra University of Utah fandt ud af, at faktisk når de isolerende lag er så tynde som 16 femdobbelte atomlag på tværs, de øverste og nederste metalliske overflader begynder at påvirke hinanden og ødelægger deres metalliske egenskaber. Eksperimentet viser, at de modsatte overflader begynder at påvirke hinanden ved et meget tykkere isolerende indre end tidligere undersøgelser havde vist, muligvis nærmer sig et sjældent teoretisk fænomen, hvor de metalliske overflader også bliver isolerende i takt med, at det indre tynder ud.

"Topologiske isolatorer kan være et vigtigt materiale i fremtidig kvanteberegning. Vores resultater har afsløret en ny begrænsning i dette system, " sagde Vikram Deshpande, assisterende professor i fysik ved University of Utah og tilsvarende forfatter til undersøgelsen. "Folk, der arbejder med topologiske isolatorer, skal vide, hvad deres grænser er. Det viser sig, at når man nærmer sig den grænse, når disse overflader begynder at "tale" til hinanden, ny fysik dukker op, hvilket også er ret sejt i sig selv. "

Den nye undersøgelse offentliggjort den 16. juli, 2019 i journalen Fysisk gennemgangsbreve .

Sjuskede sandwich bygget af topologiske isolatorer

Forestil dig en indbundet lærebog som en 3D-topologisk isolator, Sagde Deshpande. Hovedparten af ​​bogen er siderne, som er et isolatorlag - det kan ikke lede elektricitet. De hardcovers repræsenterer selv de metalliske overflader. Ti år siden, fysikere opdagede, at disse overflader kunne lede elektricitet, og et nyt topologisk felt blev født.

Deshpande og hans team skabte enheder ved hjælp af 3-D TI'er ved at stable fem få-atom-tynde lag af forskellige materialer i sjuskede sandwich-lignende strukturer. Sandwichens største kerne er den topologiske isolator, lavet af et par femdobbelte lag af vismutantimon tellur selenid (Bi _{2 -x} Sb _x Te _{3 -y} Sey). Denne kerne er klemt i et par lag bornitrid, og er toppet med to lag grafit, over og under. Grafitten fungerer som metalporte, i det væsentlige skaber to transistorer, der styrer ledningsevnen. Sidste år ledede Deshpande en undersøgelse, der viste, at denne topologiske opskrift byggede en enhed, der opførte sig, som du ville forvente - bulkisolatorer, der beskytter de metalliske overflader mod det omgivende miljø.

I dette studie, de manipulerede 3D-enhederne for at se, hvordan egenskaberne ændrede sig. Først, de byggede van der Waal-heterostrukturer - de sjuskede sandwich - og udsatte dem for et magnetfelt. Deshpandes team testede mange i hans laboratorium på University of Utah og førsteforfatter Su Kong Chong, ph.d.-kandidat ved U, rejste til National High Magnetic Field Lab i Tallahassee for at udføre de samme forsøg der ved hjælp af et af de højeste magnetfelter i landet. I nærvær af det magnetiske felt, et skakternet mønster dukkede op fra de metalliske overflader, viser de veje, hvormed elektrisk strøm vil bevæge sig på overfladen. Tavlerne, bestående af kvantiseret ledningsevne i forhold til spændinger på de to porte, er veldefinerede, med gitteret skærende ved pæne skæringspunkter, giver forskerne mulighed for at spore enhver forvrængning på overfladen.

De begyndte med isolatorlaget på 100 nanometer tykt, omkring en tusindedel af diameteren af ​​et menneskehår, og blev gradvist tyndere ned til 10 nanometer. Mønsteret begyndte at forvrænge, ​​indtil isolatorlaget var 16 nanometer tykt, da skæringspunkterne begyndte at bryde op, skabe et mellemrum, der indikerede, at overfladerne ikke længere var ledende.

"Grundlæggende, vi har lavet noget, der var metallisk, til noget isolerende i det parameterrum. Pointen med dette eksperiment er, at vi kontrollerbart kan ændre interaktionen mellem disse overflader, " sagde Deshpande. "Vi starter med, at de er fuldstændig uafhængige og metalliske, og begynd så at bringe dem tættere og tættere på, indtil de begynder at tale, ' og når de er virkelig tæt på, de er i det væsentlige gabet ud og bliver isolerende."

Tidligere forsøg i 2010 og 2012 havde også observeret energigabet på de metalliske overflader, efterhånden som det isolerende materiale tyndes ud. Men disse undersøgelser konkluderede, at energigabet optrådte med meget tyndere isolerende lag - fem nanometer i størrelse. Denne undersøgelse observerede de metalliske overfladeegenskaber nedbrydes ved meget større indvendig tykkelse, op til 16 nanometer. De andre forsøg brugte forskellige "overfladevidenskabelige" metoder, hvor de observerede materialerne gennem et mikroskop med en meget skarp metallisk spids for at se på hvert atom individuelt eller studere dem med meget energisk lys.

"Dette var ekstremt involverede eksperimenter, som er ret langt væk fra den enhedsskabelse, vi laver, "sagde Deshpande.

Næste, Deshpande og holdet vil se nærmere på fysikken, der skaber det energigab på overfladerne. Han forudser, at disse huller kan være positive eller negative afhængig af materialetykkelse.