Forskere skaber en stabil superleder forstærket af magnetisme

Det er lykkedes et internationalt hold med forskere fra universitetet i Würzburg at skabe en særlig tilstand af superledning. Denne opdagelse kunne fremme udviklingen af ​​kvantecomputere. Resultaterne er offentliggjort i Nature Physics .

Superledere er materialer, der kan lede elektricitet uden elektrisk modstand - hvilket gør dem til det ideelle basismateriale til elektroniske komponenter i MRI-maskiner, magnetiske levitationstog og endda partikelacceleratorer. Konventionelle superledere forstyrres dog let af magnetisme. Det er nu lykkedes for en international gruppe af forskere at bygge en hybrid enhed bestående af en stabil proximitiseret-superleder forstærket af magnetisme, og hvis funktion kan styres specifikt.

De kombinerede superlederen med et specielt halvledermateriale kendt som en topologisk isolator. "Topologiske isolatorer er materialer, der leder elektricitet på deres overflade, men ikke indeni. Dette skyldes deres unikke topologiske struktur, dvs. elektronernes særlige arrangement," forklarer professor Charles Gould, fysiker ved Institut for Topologiske Isolatorer ved Universitetet fra Würzburg (JMU). "Det spændende er, at vi kan udstyre topologiske isolatorer med magnetiske atomer, så de kan styres af en magnet."

Superledere og topologiske isolatorer blev koblet sammen for at danne en såkaldt Josephson junction, en forbindelse mellem to superledere adskilt af et tyndt lag af ikke-superledende materiale. "Dette gjorde det muligt for os at kombinere egenskaberne ved superledning og halvledere," siger Gould.

"Så vi kombinerer fordelene ved en superleder med kontrollerbarheden af ​​den topologiske isolator. Ved hjælp af et eksternt magnetfelt kan vi nu præcist kontrollere de superledende egenskaber. Dette er et sandt gennembrud inden for kvantefysikken."

Superledning møder magnetisme

Den specielle kombination skaber en eksotisk tilstand, hvor superledning og magnetisme kombineres - normalt er disse modsatte fænomener, der sjældent eksisterer side om side. Dette er kendt som den nærhedsinducerede Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (p-FFLO) tilstand.

Den nye "superleder med en kontrolfunktion" kan være vigtig for praktiske anvendelser, såsom udvikling af kvantecomputere. I modsætning til konventionelle computere er kvantecomputere ikke baseret på bits, men på kvantebits (qubits), som kan antage ikke blot to, men flere tilstande samtidigt.

"Problemet er, at kvantebits i øjeblikket er meget ustabile, fordi de er ekstremt følsomme over for ydre påvirkninger, såsom elektriske eller magnetiske felter," siger Gould. "Vores opdagelse kan hjælpe med at stabilisere kvantebits, så de kan bruges i kvantecomputere i fremtiden."

Flere oplysninger: Pankaj Mandal et al., Magnetisk afstembar superstrøm i fortyndet magnetisk topologisk isolator-baserede Josephson junctions, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02477-1

Journaloplysninger: Naturfysik

Leveret af Julius-Maximilians-Universität Würzburg