Nyfundet superledermateriale kunne være silicium fra kvantecomputere

Et potentielt nyttigt materiale til at bygge kvantecomputere er blevet gravet frem på National Institute of Standards and Technology (NIST), hvis videnskabsmænd har fundet en superleder, der kunne omgå en af ​​de primære forhindringer, der står i vejen for effektive kvantelogiske kredsløb.

Nyopdagede egenskaber i forbindelsen uranium ditellurid, eller UTe ₂ , vise, at det kunne vise sig at være meget modstandsdygtigt over for en af ​​kvantecomputerudviklingens nemeser - vanskeligheden med at lave en sådan computers hukommelseslagringsswitch, kaldet qubits, funktion længe nok til at afslutte en beregning, før de mister det sarte fysiske forhold, der tillader dem at fungere som en gruppe. Dette forhold, kaldet kvantekohærens, er svært at opretholde på grund af forstyrrelser fra den omgivende verden.

Forbindelsens usædvanlige og stærke modstand mod magnetiske felter gør den til en sjælden fugl blandt superledende (SC) materialer, som giver klare fordele for qubit-design, primært deres modstand mod de fejl, der let kan snige sig ind i kvanteberegninger. UTe ₂ 's exceptionelle adfærd kunne gøre det attraktivt for den begyndende kvantecomputerindustri, ifølge forskerholdets Nick Butch.

"Dette er potentielt silicium fra kvanteinformationsalderen, " sagde Butch, en fysiker ved NIST Center for Neutron Research (NCNR). "Du kunne bruge uranditellurid til at bygge qubits af en effektiv kvantecomputer."

Forskningsresultater fra holdet, som også omfatter forskere fra University of Maryland og Ames Laboratory, optræder i dag i dagbladet Videnskab . Deres papirdetaljer UTe ₂ s ualmindelige egenskaber, som er interessante fra både teknologisk anvendelse og fundamental videnskab.

En af disse er den usædvanlige måde, hvorpå elektronerne leder elektricitet gennem UTe ₂ partner op. I kobbertråd eller en anden almindelig leder, elektroner bevæger sig som individuelle partikler, men i alle SC'er danner de det, der kaldes Cooper-par. De elektromagnetiske interaktioner, der forårsager disse parringer, er ansvarlige for materialets superledningsevne. Forklaringen på denne form for superledning er opkaldt BCS-teori efter de tre videnskabsmænd, der afslørede parringerne (og delte Nobelprisen for at gøre det).

Det, der er specifikt vigtigt for denne Cooper-parring, er en egenskab, som alle elektroner har. Kendt som quantum "spin, " det får elektroner til at opføre sig, som om de hver især har en lille stangmagnet, der løber igennem dem. I de fleste SC'er, de parrede elektroner har deres kvantespind orienteret på en enkelt måde - en elektron peger opad, mens dens partner peger ned. Denne modsatte parring kaldes en spin-singlet.

Et lille antal kendte superledere, selvom, er nonkonformister, og UTe ₂ ser ud til at være blandt dem. Deres Cooper-par kan have deres spin orienteret i en af ​​tre kombinationer, får dem til at spinde trillinger. Disse kombinationer gør det muligt at orientere Cooper-parrets spins parallelt i stedet for i opposition. De fleste spin-triplet SC'er forventes også at være "topologiske" SC'er, med en yderst nyttig egenskab, hvor superledningsevnen ville forekomme på overfladen af ​​materialet og ville forblive superledende selv i lyset af eksterne forstyrrelser.

"Disse parallelle spin-par kunne hjælpe computeren med at forblive funktionsdygtig, " sagde Butch. "Det kan ikke spontant gå ned på grund af kvanteudsving."

Alle kvantecomputere har indtil dette tidspunkt haft brug for en måde at rette op på de fejl, der sniger sig ind fra deres omgivelser. SC'er har længe været forstået at have generelle fordele som grundlag for kvantecomputerkomponenter, og flere nyere kommercielle fremskridt inden for kvantecomputerudvikling har involveret kredsløb lavet af superledere. En topologisk SC's egenskaber - som en kvantecomputer kan bruge - ville have den ekstra fordel, at de ikke behøver kvantefejlskorrektion.

"Vi vil have en topologisk SC, fordi den ville give dig fejlfrie qubits. De kan have meget lange levetider, Butch sagde. "Topologiske SC'er er en alternativ vej til kvanteberegning, fordi de ville beskytte qubit fra miljøet."

Holdet faldt over UTe ₂ mens man udforsker uran-baserede magneter, hvis elektroniske egenskaber kan indstilles som ønsket ved at ændre deres kemi, tryk eller magnetfelt - en nyttig funktion at have, når du vil have tilpassede materialer. (Ingen af ​​disse parametre er baseret på radioaktivitet. Materialet indeholder "depleteret uran, " som kun er lidt radioaktivt. Qubits lavet af UTe ₂ ville være lille, og de kunne nemt blive afskærmet fra deres miljø af resten af ​​computeren.)

Holdet forventede ikke, at ejendommen ville besidde de egenskaber, de opdagede.

"UTe ₂ blev først skabt tilbage i 1970'erne, og endda ret nyere forskningsartikler beskrev det som umærkeligt, " sagde Butch. "Vi lavede tilfældigvis noget UTe ₂ mens vi syntetiserede relaterede materialer, så vi testede det ved lavere temperaturer for at se, om et eller andet fænomen måske er blevet overset. Vi indså hurtigt, at vi havde noget helt særligt på vores hænder."

NIST-holdet begyndte at udforske UTe ₂ med specialiserede værktøjer på både NCNR og University of Maryland. De så, at det blev superledende ved lave temperaturer (under -271,5 grader Celsius, eller 1,6 kelvin). Dens superledende egenskaber lignede dem for sjældne superledere, der også samtidig er ferromagnetiske - fungerer som permanente lavtemperaturmagneter. Endnu, nysgerrigt, UTe ₂ er i sig selv ikke ferromagnetisk.

"Det gør UTe ₂ fundamentalt nyt alene af den grund, " sagde Butch.

Det er også meget modstandsdygtigt over for magnetiske felter. Typisk vil et felt ødelægge superledning, men afhængigt af den retning, som feltet anvendes i, UTe ₂ kan modstå felter helt op til 35 tesla. Dette er 3, 500 gange så stærk som en typisk køleskabsmagnet, og mange gange mere end de fleste topologiske SC'er ved lav temperatur kan tåle.

Mens holdet endnu ikke har bevist endegyldigt, at UTe ₂ er en topologisk SC, Butch siger, at denne usædvanlige modstand mod stærke magnetfelter betyder, at det skal være en spin-triplet SC, og derfor er det sandsynligvis også en topologisk SC. Denne modstand kan også hjælpe forskere med at forstå naturen af ​​UTe ₂ og måske selve superledningsevnen.

"At udforske det yderligere kan give os indsigt i, hvad der stabiliserer disse parallel-spin SC'er, " sagde han. "Et hovedmål med SC-forskning er at være i stand til at forstå superledningsevne godt nok til, at vi ved, hvor vi skal lede efter uopdagede SC-materialer. Lige nu kan vi ikke gøre det. Hvad med dem er vigtigt? Vi håber, at dette materiale vil fortælle os mere."

Undersøgelsen er publiceret i tidsskriftet Videnskab .