En platform til stabil quantum computing, en legeplads for eksotisk fysik

Flyt over Godzilla mod King Kong - dette er den crossover -begivenhed, du har ventet på. Godt, i hvert fald hvis du er en kondenseret fysiker. Harvard University forskere har demonstreret det første materiale, der kan have både stærkt korrelerede elektroninteraktioner og topologiske egenskaber. Ikke helt sikker på hvad det betyder? Bare rolig, vi fører dig igennem det. Alt hvad du behøver at vide lige nu er, at denne opdagelse ikke blot baner vejen for mere stabil kvanteberegning, men også en helt ny platform til at udforske den vilde verden af ​​eksotisk fysik.

Undersøgelsen blev offentliggjort i Naturfysik .

Lad os starte med det grundlæggende. Topologiske isolatorer er materialer, der kan lede elektricitet på deres overflade eller kant, men ikke i midten. Det mærkelige ved disse materialer er, at uanset hvordan du skærer dem, overfladen vil altid være ledende og midten altid isolerende. Disse materialer tilbyder en legeplads for grundlæggende fysik, men er også lovende til en række applikationer inden for særlige typer elektronik og kvantecomputing.

Siden opdagelsen af ​​topologiske isolatorer, forskere rundt om i verden har arbejdet på at identificere materialer med disse kraftfulde egenskaber.

"En nylig boom inden for kondenseret fysik er kommet fra at opdage materialer med topologisk beskyttede egenskaber, "sagde Harris Pirie, en kandidatstuderende ved Institut for Fysik og første forfatter af papiret.

Et potentielt materiale, samarium hexaborid, har været i centrum for en voldsom debat blandt kondenserede fysikere i mere end et årti. Det centrale spørgsmål:er det eller er det ikke en topologisk isolator?

"I løbet af de sidste ti år har en flok papirer er kommet ud og siger ja, og en flok papirer er kommet ud og siger nej, "sagde Pirie." Kernen i spørgsmålet er, at de fleste topologiske materialer ikke har stærkt interagerende elektroner, hvilket betyder, at elektronerne bevæger sig for hurtigt til at mærke hinanden. Men samarium hexaborid gør, hvilket betyder, at elektroner inde i dette materiale bremser nok til at interagere stærkt. På dette område, teorien bliver temmelig spekulativ, og det har været uklart, om det også er muligt for materialer med stærkt interagerende egenskaber også at være topologiske. Som eksperimenterede Vi har stort set arbejdet blinde med materialer som dette. "

For at afklare debatten og finde ud af, én gang for alle, om det er muligt at have både stærkt interagerende og topologiske egenskaber, forskerne skulle først finde et velordnet stykke samariumhexaboridoverflade, hvorpå eksperimentet kunne udføres.

Det var ingen let opgave, i betragtning af at størstedelen af ​​materialets overflade er en skør, uordnet rod. Forskerne brugte måleværktøjer med ultrahøj præcision udviklet i laboratoriet af Jenny Hoffman, Clowes professor i videnskab og seniorforfatter af papiret, at finde en passende, atomskala patch af samarium hexaborid.

Næste, holdet satte sig for at afgøre, om materialet var topologisk isolerende ved at sende bølger af elektroner gennem materialet og sprede dem ud af atomfejl - som at tabe en sten i en dam. Ved at observere bølgerne, forskerne kunne finde ud af elektronernes momentum i forhold til deres energi.

"Vi fandt ud af, at elektronernes momentum er direkte proportional med deres energi, som er rygende pistol fra en topologisk isolator, "sagde Pirie." Det er virkelig spændende endelig at bevæge sig ind i dette skæringspunkt mellem interagerende fysik og topologisk fysik. Vi ved ikke, hvad vi finder her. "

Når det angår kvanteberegning, stærkt interagerende topologiske materialer kan muligvis beskytte qubits mod at glemme deres kvantetilstand, en proces kaldet decoherence.

"Hvis vi kunne kode kvanteoplysningerne i en topologisk beskyttet tilstand, det er mindre modtageligt for ekstern støj, der ved et uheld kan skifte qubit, "sagde Hoffman." Microsoft har allerede et stort team, der forfølger topologisk kvanteberegning i kompositmaterialer og nanostrukturer. Vores arbejde demonstrerer det første i et enkelt topologisk materiale, der udnytter stærke elektroninteraktioner, der i sidste ende kan blive brugt til topologisk kvanteberegning. "

"Det næste trin vil være at bruge kombinationen af ​​topologisk beskyttede kvantetilstande og stærke interaktioner til at konstruere nye kvantetilstande af stof, såsom topologiske superledere, "sagde Dirk Morr, Professor i fysik ved University of Illinois i Chicago og seniorteoretikeren på papiret. "Deres ekstraordinære egenskaber kunne åbne hidtil usete muligheder for implementering af topologiske kvantebits."

Denne forskning blev medforfatter af Yu Liu, Anjan Soumyanarayanan, Pengcheng Chen, Yang Han, M. M. Yee, P. F. S. Rosa, J. D. Thompson, Dae-Jeong Kim, Z. Fisk, Xiangfeng Wang, Johnpierre Paglione, og M. H. Hamidian.

De elektroniske målinger ved Harvard og samarium hexaborid krystalvæksten ved UC Irvine blev understøttet af National Science Foundation. Krystalvæksten ved University of Maryland blev støttet af Gordon &Betty Moore Foundation. Magnetiske målinger på Los Alamos National Lab og teoretisk arbejde ved University of Illinois blev understøttet af Department of Energy.