Quantum ensrettet gade i topologiske isolator nanotråde

Meget tynde ledninger lavet af en topologisk isolator kunne muliggøre meget stabile qubits, byggestenene i fremtidige kvantecomputere. Forskere ser et nyt resultat i topologiske isolatorenheder som et vigtigt skridt i retning af at realisere teknologiens potentiale.

En international gruppe af videnskabsmænd har påvist, at ledninger, der er mere end 100 gange tyndere end et menneskehår, kan fungere som en ensrettet gade for elektroner, når de er lavet af et ejendommeligt materiale kendt som en topologisk isolator.

Opdagelsen åbner vejen for nye teknologiske anvendelser af enheder fremstillet af topologiske isolatorer og demonstrerer et væsentligt skridt på vejen til at opnå såkaldte topologiske qubits, som det er blevet forudsagt kan robust indkode information til en kvantecomputer.

For at opnå dette resultat samarbejdede grupperne af professor dr. Jelena Klinovaja og professor dr. Daniel Loss ved universitetet i Basel tæt sammen med eksperimentelle fysikere ved universitetet i Köln i gruppen af ​​professor dr. Yoichi Ando. Deres undersøgelse er nu blevet offentliggjort i Nature Nanotechnology .

Topologiske isolatorer er materialer, hvori en kombination af kvantemekanik og det matematiske topologikoncept producerer ledende overflader og isolerende indre. Topologiske isolatorer er meget lovende kandidater til fremtidige teknologier og som potentielle platforme for kvanteberegning.

Forskerne var i stand til at vise, at elektriske strømme under de rette omstændigheder kan flyde lettere i den ene retning sammenlignet med den anden, en proces kendt som ensretning. Rectification tilbyder en bred vifte af applikationer og danner grundlaget for de fleste trådløse teknologier.

Ensrettere, der for eksempel findes i smartphones, er nu lavet af halvlederdioder. Den aktuelle ensretningseffekt, der er opdaget i topologiske isolator nanotråde, opstår imidlertid som et resultat af kvantemekanik og er ekstremt kontrollerbar.

Normalt opstår kvanteopretningseffekter som et resultat af noget kendt som spin-orbit kobling, som er en blanding af kvantemekanik og Einsteins relativitetsteori. Som man kunne forvente, resulterer den mærkelige blanding normalt i små korrigerende effekter.

"Det, der er fantastisk ved de topologiske isolator nanotråde, er, at vi kunstigt kan producere i det væsentlige den samme fysik, men med en meget større størrelse," siger Dr. Henry Legg, Georg H. Endress postdoc ved universitetet i Basel og første forfatter af papiret. "Dette fører til en opretningseffekt, der er virkelig enorm sammenlignet med andre materialer. Det er også et af de aspekter, der gør topologiske isolatorer så spændende til applikationer inden for kvanteberegning."

Beyond Ohms lov

Ohms lov siger, at strømmen, der strømmer gennem en enhed, er styret af spændingsfaldet over den og en mængde kendt som modstand. Men når kvantemekanikken er på spil, skal Ohms lov nogle gange korrigeres.

Især hvis et materiale eller en enhed ikke ser ens ud, når alle dets rumlige egenskaber spejles - såkaldt brudt rumlig inversionssymmetri - betyder påføring af et magnetfelt, at kvanteversionen af ​​Ohms lov tillader strømmen at flyde lettere i én retning sammenlignet med den anden. Størrelsen af ​​strømensretningen bestemmes af forskellen mellem modstandene i hver retning.

Den høje grad af kontrol, der er mulig i topologiske isolatoranordninger, gjorde det muligt for holdet af forskere at opnå en virkelig gigantisk opretningseffekt sammenlignet med, hvad der tidligere var blevet observeret.

Robust kvanteinformation

Kvantecomputere lover hidtil uset computerkraft, men er meget modtagelige for påvirkningen fra det ydre miljø. En foreslået løsning på skrøbeligheden af ​​kvanteenheder af information - såkaldte qubits - er topologiske qubits, som det forudsiges vil være langt mere stabile over for påvirkningerne fra det ydre miljø. Denne beskyttelse opstår også som et resultat af topologiens matematik, der ligger til grund for topologiske isolatorers egenskaber.

Topologiske isolatorer har længe været betragtet som gode kandidater til at være grundlaget for topologiske kvantecomputere. God kontrol over topologiske isolatorenheder er imidlertid afgørende for at kunne producere topologiske qubits.

"Vores undersøgelse opdagede ikke kun en unik og meget stor kvanteeffekt, men den viser også, at vi har en fremragende grad af forståelse af, hvad der sker i disse systemer. Det ser ud til, at alle topologiske isolatorers nøgleegenskaber er til for at komme videre på vej til at lave topologiske qubits," siger professor Dr. Jelena Klinovaja fra universitetet i Basel. + Udforsk yderligere

Første hybrid kvantebit baseret på topologiske isolatorer