Endimensionale kvante-nanotråde frugtbar grund til majorana nul-tilstande

Hvorfor er det vigtigt at studere spin-egenskaber ved endimensionelle kvantum-nanotråde?

Quantum nanotråde - som har længde, men ingen bredde eller højde - giver et unikt miljø til dannelse og påvisning af en kvasipartikel kendt som en Majorana -nulstilstand.

En ny UNSW-ledet undersøgelse overvinder tidligere vanskeligheder med at opdage Majorana-nultilstanden, og giver en betydelig forbedring af enhedens reproducerbarhed.

Potentielle applikationer til Majorana-nultilstande omfatter fejlresistente topologiske kvantecomputere, og topologisk superledning.

Majorana fermioner i 1-D tråde

En Majorana fermion er en sammensat partikel, der er dens egen antipartikel.

Sådanne usædvanlige partikels interesse akademisk og kommercielt kommer fra deres potentielle brug i en topologisk kvantecomputer, forudsagt at være immun over for dekoherens, der randomiserer de dyrebare kvanteoplysninger.

Majorana -nultilstande kan oprettes i kvantetråde fremstillet af specielle materialer, hvor der er en stærk kobling mellem deres elektriske og magnetiske egenskaber.

I særdeleshed, Majorana-nultilstande kan oprettes i endimensionelle halvledere (f.eks. Halvleder-nanotråde), når de er koblet til en superleder.

I en endimensionel nanotråd, hvis dimensioner vinkelret på længden er små nok til ikke at tillade bevægelse af subatomære partikler, kvanteeffekter dominerer.

Ny metode til at detektere det nødvendige spin-orbit-hul

Endimensionale halvleder-systemer med stærk spin-orbit-interaktion tiltrækker stor opmærksomhed på grund af potentielle anvendelser inden for topologisk kvanteberegning.

Den elektroniske magnetiske 'spin' af en elektron er som en lille stangmagnet, hvis orientering kan indstilles med et anvendt magnetfelt.

I materialer med en 'spin-orbit-interaktion' bestemmes elektronens spin af bevægelsesretningen, selv ved nul magnetfelt. Dette muliggør al elektrisk manipulation af magnetiske kvanteegenskaber.

Anvendelse af et magnetfelt til et sådant system kan åbne et energigab, således at elektroner, der bevæger sig fremad, alle har den samme spinpolarisering, og bagudgående elektroner har den modsatte polarisering. Dette 'spin-gap' er en forudsætning for dannelsen af ​​Majorana-nultilstande.

På trods af intensivt eksperimentelt arbejde, det har vist sig ekstremt vanskeligt at entydigt opdage dette spin-gap i halvleder-nanotråde, da spin-gapets karakteristiske signatur (et fald i dets konduktansplateau når et magnetfelt påføres) er meget svært at skelne fra uundgåelig baggrundsforstyrrelse i nanotråde.

Den nye undersøgelse finder en ny, entydig signatur for spin-orbit-hullet, der er uigennemtrængeligt for lidelseeffekterne, der plager tidligere undersøgelser.

"Denne underskrift bliver de-facto-standarden for at opdage spin-huller i fremtiden, "siger hovedforfatter Dr. Karina Hudson.

Reproducerbarhed

Brugen af ​​Majorana-nultilstande i en skalerbar kvantecomputer står over for en ekstra udfordring på grund af den tilfældige lidelse og ufuldkommenheder i de selvsamlede nanotråde, der er vært for MZM.

Det har tidligere været næsten umuligt at fremstille reproducerbare enheder, med kun omkring 10% af enhederne, der fungerer inden for de ønskede parametre.

De seneste UNSW -resultater viser en betydelig forbedring, med reproducerbare resultater på tværs af seks enheder baseret på tre forskellige startskiver.

"Dette arbejde åbner en ny rute til fremstilling af helt reproducerbare enheder, "siger den tilsvarende forfatter prof. Alex Hamilton UNSW).

"Nye signaturer af spin -hullet i kvantepunktskontakter" blev offentliggjort i Naturkommunikation i januar 2021.