Låser op for strålingsfri kvanteteknologi med grafen

"Tunge fermioner" er en tiltalende teoretisk måde at producere kvantesammenfiltrede fænomener på, men indtil for nylig er det mest blevet observeret i farligt radioaktive forbindelser. Et nyt papir ind Fysiske anmeldelsesbreve har vist, at det er muligt at lave tunge fermioner i subtilt modificeret grafen, hvilket er meget billigere og sikrere.

Sjældne jordarters forbindelser har fascineret forskere i årtier på grund af de unikke kvanteegenskaber, de viser, som hidtil har været fuldstændig uden for rækkevidde af hverdagsforbindelser. En af de mest bemærkelsesværdige og eksotiske egenskaber ved disse materialer er fremkomsten af ​​eksotiske superledende tilstande, og især de superledende tilstande, der er nødvendige for at bygge fremtidige topologiske kvantecomputere. Mens disse specifikke sjældne jordarters forbindelser, kendt som tunge fermionsuperledere, har været kendt i årtier, at gøre brugbare kvanteteknologier ud af dem er forblevet en kritisk åben udfordring. Dette skyldes, at disse materialer indeholder kritisk radioaktive forbindelser, såsom uran og plutonium, gør dem til begrænset brug i den virkelige verdens kvanteteknologier.

Ny forskning har nu afsløret en alternativ vej til at konstruere de grundlæggende fænomener af disse sjældne jordarters forbindelser udelukkende med grafen, som ikke har nogen af ​​sikkerhedsproblemerne ved traditionelle sjældne jordarters forbindelser. Det spændende resultat i det nye papir viser, hvordan en kvantetilstand kendt som en "tung fermion" kan fremstilles ved at kombinere tre snoede grafenlag. En tung fermion er en partikel - i dette tilfælde en elektron - der opfører sig som om den har meget mere masse, end den faktisk gør. Årsagen til, at det opfører sig på denne måde, stammer fra unikke kvante-mange-legeme-effekter, der for det meste kun blev observeret i sjældne jordarters forbindelser indtil nu. Denne tunge fermionadfærd er kendt for at være drivkraften bag de fænomener, der kræves for at bruge disse materialer til topologisk kvanteberegning. Dette nye resultat demonstrerer en ny, ikke-radioaktiv måde at opnå denne effekt ved kun at bruge kulstof, åbning af en vej til bæredygtig udnyttelse af tung fermionfysik i kvanteteknologier.

I papiret forfattet af Aline Ramires, (Paul Scherrer Instituttet, Schweiz) og Jose Lado (Aalto Universitet), forskerne viser, hvordan det er muligt at skabe tunge fermioner med billige, ikke-radioaktive materialer. At gøre dette, de brugte grafen, som er et et-atom tykt lag af kulstof. På trods af at det er kemisk identisk med det materiale, der bruges i almindelige blyanter, den sub-nanometer tykkelse af grafen betyder, at den har uventet unikke elektriske egenskaber. Ved at lægge de tynde plader af kul oven på hinanden i et bestemt mønster, hvor hvert ark roteres i forhold til det andet, forskerne kan skabe den kvanteegenskabseffekt, der resulterer i, at elektronerne i grafenen opfører sig som tunge fermioner.

"Indtil nu, praktiske anvendelser af tunge fermionsuperledere til topologisk kvanteberegning er ikke blevet forfulgt meget, dels fordi det krævede forbindelser indeholdende uran og plutonium, langt fra ideel til applikationer på grund af deres radioaktive natur, " siger professor Lado. "I dette arbejde viser vi, at man kan sigte efter at realisere den nøjagtig samme fysik bare med grafen. Mens vi i dette arbejde kun viser fremkomsten af ​​tung fermionadfærd, at adressere fremkomsten af ​​topologisk superledning er et naturligt næste skridt, som potentielt kan have en banebrydende effekt for topologisk kvanteberegning."

Topologisk superledning er et emne af kritisk interesse for kvanteteknologier, også tacklet af alternative strategier i andre artikler fra Aalto University Department of Applied Physics, herunder en tidligere artikel af professor Lado. "Disse resultater giver potentielt en kulstofbaseret platform til udnyttelse af tunge fermion-fænomener i kvanteteknologier, uden at kræve sjældne jordarters elementer, " slutter professor Lado.