Ultratynde designermaterialer låser op for kvantefænomener

Et team af teoretiske og eksperimentelle fysikere har designet et nyt ultratyndt materiale, som de har brugt til at skabe undvigende kvantetilstande. Kaldes endimensionale Majorana-nulenergimetoder, disse kvantetilstande kan have en enorm indvirkning på kvanteberegning.

Kernen i en kvantecomputer er en qubit, som bruges til at lave højhastighedsberegninger. De qubits, som Google, for eksempel, i sin Sycamore -processor, der blev afsløret sidste år, og andre, der i øjeblikket bruger, er meget følsomme over for støj og interferens fra computerens omgivelser, som indfører fejl i beregningerne. En ny type qubit, kaldet en topologisk qubit, kunne løse dette problem, og 1D Majorana -nulenergimetoder kan være nøglen til at lave dem. "En topologisk kvantecomputer er baseret på topologiske qubits, som formodes at være meget mere støjtolerante end andre qubits. Imidlertid, topologiske qubits er ikke blevet produceret i laboratoriet endnu, "forklarer professor Peter Liljeroth, den ledende forsker på projektet.

Hvad er MZM'er?

MZM'er er grupper af elektroner bundet sammen på en bestemt måde, så de opfører sig som en partikel kaldet en Majorana fermion, en semi-mytisk partikel, der først blev foreslået af den semi-mytiske fysiker Ettore Majorana i 1930'erne. Hvis Majoranas teoretiske partikler kunne bindes sammen, de ville fungere som en topologisk qubit. En fangst:der er aldrig set beviser for deres eksistens, enten i laboratoriet eller i astronomi. I stedet for at forsøge at lave en partikel, som ingen nogensinde har set nogen steder i universet, forskere forsøger i stedet at få almindelige elektroner til at opføre sig som dem.

For at lave MZM'er, forskere har brug for utroligt små materialer, et område, hvor professor Liljeroths gruppe ved Aalto University har specialiseret sig. MZM'er dannes ved at give en gruppe elektroner en meget specifik mængde energi, og derefter fange dem sammen, så de ikke kan flygte. For at opnå dette, materialerne skal være 2-dimensionelle, og så tynd som fysisk muligt. For at oprette 1D MZM'er, holdet havde brug for at lave en helt ny type 2-D-materiale:en topologisk superleder.

Topologisk superledning er den egenskab, der opstår ved grænsen til en magnetisk elektrisk isolator og en superleder. For at oprette 1D MZM'er, Professor Liljeroths team havde brug for at kunne fange elektroner sammen i en topologisk superleder, men det er ikke så simpelt som at sætte en magnet fast på en hvilken som helst superleder.

"Hvis du lægger de fleste magneter oven på en superleder, du stopper det fra at være en superleder, "forklarer Dr. Shawulienu Kezilebieke, undersøgelsens første forfatter. "Samspillet mellem materialerne forstyrrer deres egenskaber, men for at lave MZM'er, du har brug for, at materialerne kun interagerer en lille smule. Tricket er at bruge 2-D materialer:de interagerer med hinanden lige nok til at gøre de egenskaber, du har brug for til MZM'er, men ikke så meget, at de forstyrrer hinanden. "

Den pågældende ejendom er spin. I et magnetisk materiale, spin er justeret alle i samme retning, der henviser til, at spin i en superleder er anti-justeret med skiftende retninger. At bringe en magnet og en superleder sammen ødelægger normalt justeringen og anti-justeringen af ​​spinnene. Imidlertid, i 2-D lagdelte materialer er interaktionerne mellem materialerne lige nok til at "vippe" atomernes spind nok til, at de skaber den specifikke spin-tilstand, kaldet Rashba spin-orbit-kobling, nødvendig for at lave MZM'erne.

At finde MZM'erne

Den topologiske superleder i denne undersøgelse er lavet af et lag chrombromid, et materiale, der stadig er magnetisk, når det kun er et atom-tykt. Professor Liljeroths team voksede etatomtykke øer af chrombromid oven på en superledende krystal af niobiumdiselenid, og målte deres elektriske egenskaber ved hjælp af et scannende tunnelmikroskop. På dette tidspunkt, de henvendte sig til computermodelleringsekspertise fra professor Adam Foster ved Aalto University og professor Teemu Ojanen, nu på Tampere University, at forstå, hvad de havde lavet.

"Der var meget simuleringsarbejde nødvendigt for at bevise, at det signal, vi ser, var forårsaget af MZM'er, og ikke andre effekter, "siger professor Foster." Vi skulle vise, at alle brikkerne passede sammen for at bevise, at vi havde produceret MZM'er. "

Nu er teamet sikker på, at de kan lave 1D MZM'er i 2-dimensionelle materialer, det næste trin vil være at forsøge at gøre dem til topologiske qubits. Dette trin har hidtil unddraget teams, der allerede har lavet 0-dimensionelle MZM'er, og Aalto-teamet er ikke villige til at spekulere i, om processen bliver lettere med 1-dimensionelle MZM'er, de er dog optimistiske med hensyn til fremtiden for 1D MZM'er.

"Den fede del af dette papir er, at vi har lavet MZM'er i 2-D materialer, "sagde professor Liljeroth" I princippet er disse lettere at lave og lettere at tilpasse egenskaberne ved, og i sidste ende blive til en brugbar enhed. "

Papiret, Topologisk superledning i en van der Waals heterostruktur, blev udgivet 17. december i Natur .