Kombination af materialer kan understøtte unik superledningsevne til kvanteberegning

En ny sammensmeltning af materialer, hver med specielle elektriske egenskaber, har alle de komponenter, der kræves til en unik type superledning, der kunne danne grundlag for mere robust kvanteberegning. Den nye kombination af materialer, skabt af et team ledet af forskere ved Penn State, kunne også give en platform til at udforske fysisk adfærd, der ligner dem for mystiske, teoretiske partikler kendt som chirale Majoranas, som kunne være en anden lovende komponent til kvanteberegning.

Den nye undersøgelse vises i tidsskriftet Science . Arbejdet beskriver, hvordan forskerne kombinerede de to magnetiske materialer i, hvad de kaldte et kritisk skridt hen imod at realisere den nye grænsefladesuperledning, som de i øjeblikket arbejder hen imod.

Superledere - materialer uden elektrisk modstand - er meget udbredt i digitale kredsløb, de kraftige magneter i magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) og partikelacceleratorer og anden teknologi, hvor maksimering af strømmen af ​​elektricitet er afgørende.

Når superledere kombineres med materialer kaldet magnetiske topologiske isolatorer - tynde film kun få atomer tykke, som er blevet gjort magnetiske og begrænser elektronernes bevægelse til deres kanter - arbejder de nye elektriske egenskaber af hver komponent sammen for at producere "chirale topologiske superledere."

Topologien, eller specialiserede geometrier og symmetrier af stof, genererer unikke elektriske fænomener i superlederen, som kunne lette konstruktionen af ​​topologiske kvantecomputere.

Kvantecomputere har potentialet til at udføre komplekse beregninger på en brøkdel af den tid, det tager traditionelle computere, fordi i modsætning til traditionelle computere, der lagrer data som et eller et nul, gemmer kvantebittene af kvantecomputere data samtidigt i en række mulige tilstande.

Topologiske kvantecomputere forbedrer kvantecomputere yderligere ved at drage fordel af, hvordan elektriske egenskaber er organiseret for at gøre computerne robuste over for dekohærens, eller tabet af information, der sker, når et kvantesystem ikke er perfekt isoleret.

"At skabe chirale topologiske superledere er et vigtigt skridt i retning af topologisk kvanteberegning, der kunne skaleres op til bred brug," sagde Cui-Zu Chang, Henry W. Knerr Early Career Professor og lektor i fysik ved Penn State og co-korresponderende forfatter til papiret.

"Chiral topologisk superledning kræver tre ingredienser:superledning, ferromagnetisme og en egenskab kaldet topologisk orden. I denne undersøgelse producerede vi et system med alle disse tre egenskaber."

Forskerne brugte en teknik kaldet molekylær stråleepitaxi til at stable en topologisk isolator, der er blevet gjort magnetisk, og et jernchalcogenid (FeTe), et lovende overgangsmetal til at udnytte superledning. Den topologiske isolator er en ferromagnet - en type magnet, hvis elektroner spinder på samme måde - mens FeTe er en antiferromagnet, hvis elektroner spinder i skiftende retninger.

Forskerne brugte en række billeddannelsesteknikker og andre metoder til at karakterisere strukturen og de elektriske egenskaber af det resulterende kombinerede materiale og bekræftede tilstedeværelsen af ​​alle tre kritiske komponenter af chiral topologisk superledning ved grænsefladen mellem materialerne.

Tidligere arbejde på området har fokuseret på at kombinere superledere og ikke-magnetiske topologiske isolatorer. Ifølge forskerne har det været særligt udfordrende at tilføje ferromagneten.

"Normalt konkurrerer superledning og ferromagnetisme med hinanden, så det er sjældent at finde robust superledning i et ferromagnetisk materialesystem," sagde Chao-Xing Liu, professor i fysik ved Penn State og medkorrespondrende forfatter til papiret.

"Men superledningsevnen i dette system er faktisk meget robust over for ferromagnetismen. Du ville have brug for et meget stærkt magnetfelt for at fjerne superledningsevnen."

Forskerholdet undersøger stadig, hvorfor superledning og ferromagnetisme eksisterer side om side i dette system.

"Det er faktisk ret interessant, fordi vi har to magnetiske materialer, der er ikke-superledende, men vi sætter dem sammen, og grænsefladen mellem disse to forbindelser producerer meget robust superledning," sagde Chang.

"Jernchalcogenid er antiferromagnetisk, og vi forventer, at dets antiferromagnetiske egenskab er svækket omkring grænsefladen for at give anledning til den nye superledningsevne, men vi har brug for flere eksperimenter og teoretisk arbejde for at verificere, om dette er sandt, og for at afklare den superledende mekanisme."

Forskerne sagde, at de mener, at dette system vil være nyttigt i søgningen efter materialesystemer, der udviser lignende adfærd som Majorana-partikler - teoretiske subatomære partikler, der først blev antaget i 1937. Majorana-partikler fungerer som deres egen antipartikel, en unik egenskab, der potentielt kan tillade dem at være bruges som kvantebits i kvantecomputere.

"At levere eksperimentelt bevis for eksistensen af ​​chiral Majorana vil være et kritisk skridt i skabelsen af ​​en topologisk kvantecomputer," sagde Chang. "Vores felt har haft en stenet fortid i forsøget på at finde disse undvigende partikler, men vi mener, at dette er en lovende platform til at udforske Majorana-fysikken."

Flere oplysninger: Hemian Yi et al., Interface-induceret superledning i magnetiske topologiske isolatorer, Science (2024). DOI:10.1126/science.adk1270. www.science.org/doi/10.1126/science.adk1270

Journaloplysninger: Videnskab

Leveret af Pennsylvania State University