Forskere undersøger forviklinger i superledere med håb om at understøtte kvantecomputerudvikling

Ryan Day studerer superledere. Materialer, der leder elektricitet perfekt og mister ingen energi til varme og modstand. Specifikt studerer University of California, Berkeley, hvordan superledere kan sameksistere med deres modsætninger; isoleringsmaterialer, der stopper strømmen af ​​elektroner.

Materialerne, der kombinerer disse to modsatrettede tilstande, kaldet topologiske superledere, er forståeligt nok underlige, svære at karakterisere og konstruere, men hvis man kunne designe dem korrekt, kunne de spille en vigtig rolle i kvanteberegning.

"Enhver computer er tilbøjelig til at fejle, og det er ikke anderledes, når du går over til kvantecomputere – det bliver bare meget sværere at styre. Topologisk kvantecomputere er en af ​​de platforme, der menes at kunne omgå mange af de mest almindelige kilder til fejl," siger Day, "men topologisk kvanteberegning kræver, at vi fremstiller en partikel, som aldrig er set før i naturen."

Day kom til den canadiske lyskilde ved University of Saskatchewan for at bruge QMSC beamline, en facilitet bygget til at udforske præcis disse typer spørgsmål i kvantematerialer. Funktionerne blev udviklet under ledelse af Andrea Damascelli, videnskabelig direktør for Stewart Blusson Quantum Matter Institute ved UBC, som Day var doktorand hos på tidspunktet for denne forskning.

"QMSC blev udviklet til at have meget fin kontrol over en meget bred vifte af energier, så du virkelig kan få usædvanlig præcis information om elektronerne, når de bevæger sig i alle mulige retninger," sagde Day.

Hans eksperiment, udført ved temperaturer omkring 20 grader over det absolutte nulpunkt, havde til formål at løse modstridende resultater i den eksisterende forskning om superledere med topologiske tilstande.

"De eksperimenter, der var blevet lavet før vores, var rigtig gode, men der var nogle modsætninger i litteraturen, som skulle forstås bedre," forklarede han. Den relative nyhed af feltet, kombineret med de usædvanlige egenskaber, som materialer udviser i de energiområder, der blev brugt til denne forskning, betød, at det var svært at adskille, hvad der foregik med de topologiske tilstande.

I sine eksperimenter observerede Day, at de topologiske tilstande var indlejret i et stort antal andre elektroniske tilstande, som hæmmer lithiumjernarsenid - det superledende materiale, han studerer - i at udvise topologisk superledning. Baseret på sine målinger på CLS har han foreslået, at dette problem kan omgås ved blot at strække materialet.

Resultaterne af dette arbejde, offentliggjort i Physical Review B , giver yderligere bevis for, at lithiumjernarsenid understøtter topologiske tilstande på overfladen, nøglen til potentielt at bruge materialet i kvanteberegning. Det afslører også potentielle udfordringer for ingeniørmaterialer til disse applikationer, et område for fremtidig forskning.

"Ved at lave disse eksperimenter kan vi forstå dette materiale på en meget bedre måde og begynde at tænke på, hvordan vi rent faktisk kan gøre brug af det, og så bygger forhåbentlig nogen en kvantecomputer med det, og alle vinder." + Udforsk yderligere

Majorana-fermioner rummer potentiale for informationsteknologi uden modstand