Stabilitet ved fluktuation:topologiske materialer udkonkurrerer gennem kvante periodisk bevægelse

Forskere ved det amerikanske energiministeriums Ames Laboratory har opdaget, at anvendelse af vibrationsbevægelse på en periodisk måde kan være nøglen til at forhindre spredning af de ønskede elektrontilstande, der ville gøre avanceret kvanteberegning og spintronik mulig.

Nogle topologiske materialer er isolatorer i deres bulkform, men har elektronledende adfærd på deres overflader. Mens forskellene i disse overfladeelektroners adfærd er det, der gør disse materialer så lovende til teknologiske anvendelser, det giver også en udfordring:ukontrollerede interaktioner mellem overfladeelektroner og bulkmaterialets tilstande kan få elektroner til at spredes ud af funktion, fører til såkaldt "topologisk sammenbrud". De er ikke beskyttet af nogen "spontan" symmetri.

"Topologiske isolatorer, der kan opretholde en vedvarende spin-låst strøm på deres overflader, som ikke henfalder, betegnes som 'symmetribeskyttede', ' og denne tilstand er overbevisende for flere revolutionære enhedskoncepter inden for kvantecomputere og spintronik, " sagde Jigang Wang, Ames Laboratory fysiker og Iowa State University professor. "Men den topologiske sammenbrud på grund af overflade-bulk-kobling er et langvarigt videnskabeligt og teknisk problem."

Wang og hans medforskere tog en paradoksal tilgang, kaldet dynamisk stabilisering, ved at anvende et terahertz elektrisk felt til at drive periodiske atomare vibrationer, dvs. vibrationssammenhæng, i modellen topologisk isolator bismuth-selen Bi ₂ Se ₃ . Disse ekstra "udsving" forbedrede faktisk beskyttede topologiske tilstande, får de elektroniske excitationer til at leve længere.

En analogi til en sådan dynamisk stabilisering er det periodisk drevne Kapitza-pendul, kendt af nobelpristageren Peter Kapitza, hvor en omvendt, dog stabil, orientering opnås ved at påføre en tilstrækkelig højfrekvent vibration af dets omdrejningspunkt. På lignende måde, yderligere dynamisk stabilisering kan opnås ved at drive kvante periodiske bevægelser af gitteret.

"Vi demonstrerer den dynamiske stabilisering i topologisk stof som en ny universel tuning-knap, der kan bruges til at forstærke beskyttet kvantetransport, " sagde Wang, der mener, at opdagelsen har vidtrækkende konsekvenser for brugen af ​​disse materialer til mange videnskabelige og teknologiske discipliner, såsom lidelsestolerante kvanteinformations- og kommunikationsapplikationer og spin-baserede, lysbølge kvanteelektronik.

Forskningen diskuteres yderligere i et papir, "Lysstyring af overflade-bulkkobling af Terahertz vibrationssammenhæng i en topologisk isolator, "forfattet af X. Yang, L. Luo., C. Vaswani, X. Zhao, D. Cheng, Z. Liu, R.H.J. Kim, X. Liu, M. Dobrowolska, J.K. Furdyna, I. E. Perakis, C-Z Wang, K-M Ho og J. Wang; og udgivet i npj Kvantematerialer .